(57)【要約】【課題】水の微細粒子の平均粒径を小さくして生成速度を速くすると共に、効率よく原料ガスをハイドレートとする。【解決手段】ハイドレートの製造装置は、水を微細粒子に霧化し、霧化された水の微細粒子と原料ガスを冷却状態で接触させてハイドレートとする。ハイドレートの製造装置は、原料ガスが供給される密閉チャンバ１と、この密閉チャンバ１に供給される水を超音波振動させて原料ガス中に微細粒子に霧化する超音波振動子２と、この超音波振動子２で霧化された微細粒子が原料ガスと一緒に搬送される反応室３と、密閉チャンバ１から反応室３に水の微細粒子を含む原料ガスを移送する移送ダクト４と、反応室３を冷却して、移送ダクト４で移送される水の微細粒子と原料ガスを反応環境とする冷却器５とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を微細粒子に霧化し、霧化された水の微細粒子と原料ガスを冷却状態で接触させてハイドレートとするハイドレートの製造装置であって、
原料ガスが供給される密閉チャンバ(1)と、この密閉チャンバ(1)に供給される水を超音波振動させて原料ガス中に微細粒子に霧化する超音波振動子(2)と、この超音波振動子(2)で霧化された微細粒子が原料ガスと一緒に搬送される反応室(3)と、密閉チャンバ(1)から反応室(3)に水の微細粒子を含む原料ガスを移送する移送ダクト(4)と、前記の反応室(3)を冷却して、移送ダクト(4)で移送される水の微細粒子と原料ガスを反応環境とする冷却器(5)とを備えるハイドレートの製造装置。
【請求項２】
密閉チャンバ(1)が底部に水溜部(6)を備え、この水溜部(6)の底部に超音波振動子(2)を配設して、超音波振動子(2)でもって水溜部(6)を超音波振動して、微細粒子に霧化する請求項１に記載されるハイドレートの製造装置。
【請求項３】
原料ガスが、炭酸ガスを含む空気である請求項１に記載されるハイドレートの製造装置。
【請求項４】
原料ガスが、天然ガスである請求項１に記載されるハイドレートの製造装置。
【請求項５】
密閉チャンバ(1)と反応室(3)の間に、密閉チャンバ(1)の水の微細粒子を含む原料ガスを吸入して、反応室(3)に強制送風する強制移送器(8)を連結している請求項１に記載されるハイドレートの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の炭酸ガスや天然ガス等の原料ガスを水の微細粒子と反応させてハイドレートを製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料ガスを水に反応させてハイドレートとする装置は開発されている。簡単な装置は、原料ガスを充填する容器に氷を入れて撹拌して、ハイドレートにできる。この装置は、容器の内部で撹拌される氷が、表面から原料ガスと反応してハイドレートとなる。この構造の装置は、効率よくハイドレートを製造できない。
【０００３】
製造効率を高くする装置として、原料ガスを充填している圧力タンク内に、ノズルから水を噴霧して微細粒子としてハイドレートとする装置が開発されている。（特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００１−３４２４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の公報に記載される装置は、図１に示すように、ハイドレートを生成する反応タンク９１を備える。反応タンク９１は圧力容器で、内部には冷却コイル９２を設けている。冷却コイル９２は、反応タンク９１内の水相Ｌを、ハイドレートを生成する温度として約１℃に冷却保持する。ハイドレートを生成する際には水和熱が発生するが、ハイドレートは低温・高圧状態でなければ生成できないので、冷却コイル９２で冷却している。さらに、図の装置は、貯水槽９３を備える。貯水槽９３は反応タンク９１に水を配管９４で供給して、反応タンク９１内の底部を水相Ｌとする。さらに、反応タンク９１の下部には、メタン導入口９１ａを設けている。このメタン導入口９１ａはガス貯蔵部９７に連結されて、ここから原料ガスのメタンガスが供給される。反応タンク９１に供給されるメタンは、気相Ｇの圧力をハイドレートの生成圧力として、４０ａｔｍに保持する。反応タンク９１の底部には、未反応の水を抜出する水抜出口９１ｂを設けている。水抜出口９１ｂは、ポンプ９５と熱交換器９６を介して反応タンク９１の上端部のスプレーノズル９８に連結している。スプレーノズル９８は、熱交換器９６でハイドレートを生成できる温度まで水を冷却して反応タンク９１の内部に微細粒子として噴霧する。スプレーノズル９８は、反応タンク９１の内部に、下向きに水を数十μｍの微細粒子として噴霧する。スプレーノズル９８から噴霧される微細粒子は、平均粒径を小さくすることで、水の単位体積あたりの表面積、すなわち気相Ｇとの接触面積を大きくして、ハイドレートを速やかに生成できる。
【０００５】
さらに、特許文献１は、微細粒子の粒径を小さくするために、図２に示すように、スプレーノズル９８に代わって、超音波振動板８０を使用する装置も記載する。超音波振動板８０は、反応タンク８１の上部に水平に配置される。超音波振動板８０の上方に、配管８２から水が供給される。供給される水は、超音波振動板８０上に水膜８３を形成する。水膜８３は、超音波振動により微細粒子となって反応タンク８１内に放出される。この構造は、スプレーノズル９８のように水を微細粒子にするための気体を噴射する必要がなく、また水の微細粒子の粒径を均一にできる。
【０００６】
しかしながら、以上の構造によっては、原料ガスを効率よく速やかにハイドレートにできない。スプレーノズルを使用する構造では、微細粒子の平均粒径をミクロン単位よりも小さくできないからである。また、超音波振動板の上に水膜を設けて、これを超音波振動で微細粒子とする構造によっても、効率よく水を平均粒径の小さくする微細粒子に霧化できない。
【０００７】
ハイドレートを効率よく製造するには、水の微細粒子の平均粒径をいかに小さくできるかが大切である。平均粒径が小さくなると、体積あたりの表面積が増加して、原料ガスと水とが速やかに反応して生成速度が速くなるからである。また、水の微細粒子の平均粒径を小さくすることは、生成されたハイドレートに含まれる原料ガスの割合を増加することにも効果がある。さらに、水と原料ガスとの反応効率、言いかえると製造されたハイドレートが原料ガスを含む割合は、温度を低くして向上できる。ただ、温度を低くすると、反応タンクの生成速度が遅くなるので、反応効率を高くするために、温度を低くする場合も、水の微細粒子の平均粒径を小さくすることが大切である。
【０００８】
本発明は、水の微細粒子の平均粒径を小さくして生成速度を速くすると共に、効率よく原料ガスをハイドレートとすることを目的に開発されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のハイドレートの製造装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
ハイドレートの製造装置は、水を微細粒子に霧化し、霧化された水の微細粒子と原料ガスを冷却状態で接触させてハイドレートとする。ハイドレートの製造装置は、原料ガスが供給される密閉チャンバ１と、この密閉チャンバ１に供給される水を超音波振動させて原料ガス中に微細粒子に霧化する超音波振動子２と、この超音波振動子２で霧化された微細粒子が原料ガスと一緒に搬送される反応室３と、密閉チャンバ１から反応室３に水の微細粒子を含む原料ガスを移送する移送ダクト４と、反応室３を冷却して、移送ダクト４で移送される水の微細粒子と原料ガスを反応環境とする冷却器５とを備える。
【００１０】
本発明のハイドレートの製造装置は、密閉チャンバ１が底部に水溜部６を備え、この水溜部６の底部に超音波振動子２を配設して、超音波振動子２でもって水溜部６を超音波振動して、微細粒子に霧化することができる。
【００１１】
本発明のハイドレートの製造装置は、原料ガスを、炭酸ガスを含む空気、または天然ガスとすることができる。
【００１２】
本発明のハイドレートの製造装置は、密閉チャンバ１と反応室３の間に、密閉チャンバ１の水の微細粒子を含む原料ガスを吸入して、反応室３に強制送風する強制移送器８を連結することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のハイドレートの製造装置は、水の微細粒子の平均粒径を小さくして生成速度を速くし、また効率よく原料ガスをハイドレートにできる特徴がある。図３と図４は、メタンハイドレートが生成される状態を示すグラフである。図３は本発明の製造装置がハイドレートを生成する特性を示し、図４は図１に示す製造装置がハイドレートを生成する特性を示す。ただし、これ等の図は、横軸を時間軸とし、縦軸はハイドレートが生成される相対値を示している。図３と図４から明らかなように、本発明の製造装置は、従来の装置に比較して、ハイドレートの生成速度を飛躍的に向上できる。
【００１４】
さらに、図３と図４は、各々６時間後におけるハイドレートの生成量を１としていることから、図３と図４において、６時間後におけるハイドレート率は同一ではない。図３に示す本発明の製造装置は、図４に示す従来の装置に比較して、ハイドレート率も相当に向上できる。それは、図１に示す従来の装置を使用して、水の微細粒子の粒径を変化させると、６時間後におけるハイドレート率が、５．６％〜１９．７％の範囲で変化するからである。ここで、ハイドレート率とは、（メタンを含む水のモル数）／（水のモル数）［ｍｏｌ／ｍｏｌ］を示す値である。本発明の製造装置は、水の微細粒子の粒径を、従来の装置のマイクロオーダーからナノオーダと著しく小さくできる。このことから、本発明の製造装置は、ハイドレート率を相当に向上して、効率よくガスハイドレートを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのハイドレートの製造装置を例示するものであって、本発明は製造装置を以下のものに特定しない。
【００１６】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１７】
図５に示すハイドレートの製造装置は、水を微細粒子に霧化し、霧化された水の微細粒子と原料ガスを冷却状態で接触させてハイドレートとする。この製造装置は、原料ガスとして炭酸ガスを含む空気や天然ガス等を使用する。ただし、本発明の装置は、原料ガスを空気や天然ガスには特定しない。原料ガスには、ハイドレートにできる全てのガスを使用できる。炭酸ガスを含む空気を原料ガスとしてハイドレートを生成して、空気から炭酸ガスを分離できる。炭酸ガスが、空気に含まれる窒素や酸素などに比較して、効率よくハイドレートになるからである。このため、空気に炭酸ガスが含まれる排気ガスからハイドレートを生成して、排気ガスから炭酸ガスを分離でき、また分離された炭酸ガスを廃棄に好都合なハイドレートにできる。
【００１８】
さらに、天然ガスをハイドレートとすることで、体積をガス状態の約１／１６０に減少できる。このため、天然ガスはハイドレートの状態として輸送に好ましい状態にできる。現在、天然ガスは、冷却し、液化させて体積を小さくして輸送している。この状態で輸送される天然ガスは、気化を阻止するために、極めて低い低温に保持する必要がある。このため、輸送装置には極低温状態に保持する特別装置を必要とする。ハイドレートの天然ガスは、液化された状態よりも簡単な装置で輸送できる。ハイドレートに保持する温度が、液化された状態に保持する温度よりも高いからである。したがって、本発明の製造装置で天然ガスをハイドレートとすることで、天然ガスを簡単に能率よく移送できる。この場合、天然ガスをいかに能率よく速やかにハイドレートにできるかが大切であるが、本発明の装置は、天然ガスを効率よくハイドレートに生成できる。
【００１９】
図５に示すハイドレートの製造装置は、原料ガスを供給する密閉チャンバ１と、この密閉チャンバ１内で水を超音波振動させて原料ガス中に微細粒子に霧化する超音波振動子２と、この超音波振動子２で霧化された微細粒子が原料ガスと一緒に搬送される反応室３と、密閉チャンバ１から反応室３に水の微細粒子を含む原料ガスを移送する移送ダクト４と、反応室３を冷却して、移送ダクト４で移送される水の微細粒子と原料ガスを反応環境とする冷却器５とを備える。
【００２０】
密閉チャンバ１は、天然ガスや排気ガス等の原料ガスを供給して、原料ガスを充満させている。超音波振動子２は、従来装置に使用されるスプレーノズルのように、水を霧化するために加圧空気などを密閉チャンバ１内に噴射しない。このため、本発明の製造装置は、密閉チャンバ１内を原料ガスで満たすことができる。原料ガスを満たしている密閉チャンバ１は、霧化される水粒子を原料ガス中に微細粒子として霧化させる。水の微細粒子を原料ガス中に霧化させる装置は、霧化効率が、原料ガスの水粒子濃度に影響を受ける。超音波振動による霧化は、原料ガスの水粒子濃度を低くして効率を高くできる。この状態を実現するために、図の装置は、密閉チャンバ１に原料ガスを連続して供給し、さらに、水粒子を含む原料ガスを連続的に排出する。図の密閉チャンバ１は、一方から原料ガスを供給して、反対側から水粒子を含む原料ガスを排出する。この密閉チャンバ１は、霧化された水粒子を霧化領域から移動させると共に、霧化領域には水粒子を含まない新鮮な原料ガスを供給する。この構造の密閉チャンバ１は、原料ガスを一定の方向に流動して、水粒子を効率よく霧化する。霧化領域の原料ガスの水粒子濃度を低くできるからである。
【００２１】
さらに、霧化領域の水粒子濃度は、霧化される水粒子の粒径にも影響を与える。霧化される水粒子の粒径は、霧化領域の水粒子濃度を低くして小さくできる。図に示すように、原料ガスを密閉チャンバ１内で一定の方向に流動させて、水粒子を含む霧化領域の原料ガスを霧化領域から流動させ、さらに霧化領域には水粒子を含まない新鮮な原料ガスを供給する装置は、微細粒子の粒径を小さくできる。
【００２２】
密閉チャンバ１に供給する原料ガスの流量は、水粒子の霧化量を考慮して最適値に特定される。水粒子の霧化量は、超音波振動子２の入力電力で特定される。超音波振動子２の入力電力に対する霧化量は、超音波振動子２の効率により変化するが、たとえば入力電力を１０Ｗとする超音波振動子２は、１時間に約０．５リットル〜１リットルの水を霧化させる。このことから、超音波振動子２の入力電力１０Ｗに対する原料ガスの流量は、１０リットル／分以上、好ましくは１５リットル／分以上、さらに好ましくは２０リットル／分以上とする。超音波振動子２の入力電力に対する原料ガスの流量が多すぎると、原料ガスに含まれる水粒子が少なくなる。このため、超音波振動子２の入力電力１０Ｗに対する原料ガスの流量は、好ましくは１００リットル／分以下とする。
【００２３】
さらに、原料ガスの流量は、原料ガスと微細粒子の水とを反応させてハイドレートとすることからも特定される。微細粒子の水と原料ガスの理論比は、全ての原料ガスがハイドレートとなると仮定すれば、５．７５モル／１．０モルである（Ｉ型メタンハイドレートの場合、ガス種及び生成する構造により規定される。）。現実には、霧化した水とガスの反応効率等を考慮して、適切な水及びガスの供給量を特定する。
【００２４】
密閉チャンバ１は、気密に密閉されたタンクで、底部を水溜部６としている。水溜部６の底部に超音波振動子２を配設している。超音波振動子２は、超音波電源７に接続されて、水溜部６の水を超音波振動させる。超音波振動子２は、可聴周波数よりも高い周波数、たとえば２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの超音波で振動される。超音波振動子２の振動周波数は、霧化される水粒子の粒径に影響を与える。超音波振動子２の振動周波数を高くすると、霧化される水粒子の粒径を小さくできる。ただ、超音波振動子２は、振動周波数が高すぎると効率が低下し、また極めて高い周波数で振動する素子は製作も難しくなる。このことから、超音波振動子２の周波数は、好ましくは、１〜５ＭＨｚ、最適には２〜３ＭＨｚとする。
【００２５】
密閉チャンバ１の水溜部６は、水を効率良く霧化できる水深とする。水溜部６の水深が浅すぎると、水を効率よく霧化できない。水溜部６の水深が５ｍｍよりも浅いと、水を効率よく霧化できない。また、水溜部６の水深が５ｃｍよりも深くても、水を効率よく霧化できなくなる。このことから、たとえば超音波振動子２の入力電力を１０Ｗ、振動周波数を１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚとする場合、好ましくは水溜部６の水深を１ｃｍ〜５ｃｍ、さらに好ましくは１ｃｍ〜３ｃｍとする。ただし、水溜部の最適な水深は、超音波振動子の周波数や入力電力により変化するので、本発明は水溜部の水深を前述の範囲には特定しない。
【００２６】
超音波振動子２は、水溜部６の底部に水平に固定されて、水を上下に超音波振動させる。ただし、超音波振動子は、多少傾斜する姿勢で水溜部に配設して、水を超音波振動させることもできる。また、図示しないが、密閉チャンバに供給する水中に超音波振動子を配設して、密閉チャンバに供給される水を超音波振動して霧化することもできる。この構造は、密閉チャンバに供給される全ての水を霧化できないので、密閉チャンバの底部から水を回収して、繰り返し密閉チャンバに供給して、供給される水の一部を霧化させる。
【００２７】
水は冷却されて密閉チャンバ１に供給される。水は０℃以下に冷却すると凍るので、０℃よりも高く、かつできるかぎり０℃に近い温度、例えば０℃〜５℃に冷却して、密閉チャンバ１に供給される。図の装置は、水槽１０に蓄える水を水ポンプ１１で密閉チャンバ１に供給している。図の装置は、水ポンプ１１で供給する水を、さらに冷却器５で冷却して密閉チャンバ１に供給している。
【００２８】
密閉チャンバ１は、内圧を低下して水の霧化効率を向上できる。図の製造装置は、密閉チャンバ１に強制移送器８を連結して内圧を減圧している。強制移送器８は、密閉チャンバ１と反応室３の間に連結されて、水粒子を含む原料ガスを密閉チャンバ１から吸入して、反応室３に強制的に移送する。強制移送器８はルーツブロア等のブロアや、リショルムコンプレッサ等のコンプレッサである。この装置は、強制移送器８で密閉チャンバ１を大気圧以下に減圧して、水の霧化率を向上できる。大気圧以下に減圧された密閉チャンバ１は、霧化効率を高くして、原料ガスをスムーズに吸入する。
【００２９】
密閉チャンバ１は、排出口１Ａを開口して、ここに強制移送器８の吸入側を連結している。さらに、図の密閉チャンバ１は、排出口１Ａに、霧化された大粒の水粒子を除去するデミスタ９を設けている。この装置は、密閉チャンバ１から排出される原料ガスに含まれる大粒の水粒子を除去して反応室３に水の微細粒子を供給するので、反応室３に供給される水の微細粒子の平均粒径を小さくできる。このため、反応室３には、微細な水の微細粒子を供給して、効率よくハイドレートを生成できる。図の装置は、排出口１Ａにデミスタ９を設けて大きな水粒子を除去しているが、デミスタ９に代わって、大きな水粒子を分離する機構、たとえば大きな水粒子を表面に結露させて分離する分離機構等を、密閉チャンバと反応室との間に設けることもできる。
【００３０】
反応室３は耐圧容器で、強制移送器８で密閉チャンバ１から供給される水粒子を含む原料ガスを加圧状態で冷却して、原料ガスのハイドレートを生成する。原料ガスが水と反応してハイドレートを生成する温度と圧力は、原料ガスによって特定される。たとえば天然ガスは、大気圧において−３０℃以下で水と反応してハイドレートを生成する。したがって、反応室３は、温度を−５０℃に冷却して、大気圧で天然ガスのハイドレートを生成する。ただし、反応室３は、−３０℃以下、好ましくは−５０℃以下、さらに好ましくは−７０℃以下として、天然ガスのハイドレートを生成することができる。耐圧容器の反応室３は、強制移送器８で移送する原料ガスで加圧状態にできるので、加圧状態として、ハイドレートを生成する温度を低くすることもできる。したがって、反応室３を加圧状態として、天然ガスのハイドレートを生成する場合、反応室３の温度は、前述の設定温度よりも高くできる。原料ガスが水と反応してハイドレートを生成するとき、反応熱が発生する。この反応熱で反応室３の温度が上昇しないように、反応室３は冷却器５で冷却される。
【００３１】
反応室３は密閉状態でハイドレートを取り出すロータリフィーダ１２を底部に設けている。ロータリフィーダ１２は、ローターを回転させて、反応室３を密閉状態に保ちながら底部に溜まったハイドレートを排出する。
【００３２】
図の製造装置は、密閉チャンバ１に供給する水を冷却する熱交換器１３と、密閉チャンバ１を冷却する熱交換器１４と、反応室３に供給する水粒子を含む原料ガスを冷却する熱交換器１５と、さらに反応室３を冷却する熱交換器１６とを備える。各々の熱交換器１３、１４、１５、１６はチラー（図示せず）に連結されて、チラーから供給される冷媒で冷却される。各々の熱交換器１３、１４、１５、１６は、水や原料ガスを冷却する温度が異なるので、最適温度となるように、冷媒の循環量をコントロールする制御弁（図示せず）を設けている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来のハイドレートの製造装置の概略構成図である。
【図２】従来の製造装置において微細粒子の粒径を小さくする他の一例を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施例にかかるハイドレートの製造装置がハイドレートを生成する特性を示すグラフである。
【図４】従来のハイドレートの製造装置がハイドレートを生成する特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例にかかるハイドレートの製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…密閉チャンバ            １Ａ…排出口
２…超音波振動子
３…反応室
４…移送ダクト
５…冷却器
６…水溜部
７…超音波電源
８…強制移送器
９…デミスタ
１０…水槽
１１…水ポンプ
１２…ロータリフィーダ
１３…熱交換器
１４…熱交換器
１５…熱交換器
１６…熱交換器
８０…超音波振動板
８１…反応タンク
８２…配管
８３…水膜
９１…反応タンク            ９１ａ…メタン導入口
９１ｂ…水抜出口
９２…冷却コイル
９３…貯水槽
９４…配管
９５…ポンプ
９６…熱交換器
９７…ガス貯蔵部
９８…スプレーノズル
Ｌ…水相
Ｇ…気相
【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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