(57)【要約】【課題】  設備の振動や騒音が発生することなく、より安全かつ製造条件の制御の容易なアンモニア水の製造方法、およびアンモニア水の製造装置を提供する。【解決手段】  アンモニアガスを水に溶解させるアンモニア水の製造方法であって、溶解槽に少なくとも不活性ガスを含む気相と、少なくとも水を含む液相を形成する相形成工程と、前記溶解槽中の前記気相へアンモニアガスを導入する導入工程と、水を前記気相中へ散布する散布工程と、を少なくとも含むことを特徴とするアンモニア水の製造方法。【選択図】  図１
2013040053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアガスを水に溶解させるアンモニア水の製造方法であって、
溶解槽に少なくとも不活性ガスを含む気相と、少なくとも水を含む液相を形成する相形成工程と、
前記溶解槽中の前記気相へアンモニアガスを導入する導入工程と、
水を前記気相中へ散布する散布工程と、
を少なくとも含むことを特徴とするアンモニア水の製造方法。
【請求項２】
前記気相の圧力が、０．０５〜０．５ＭＰａ（Ｇ）である請求項１記載のアンモニア水の製造方法。
【請求項３】
前記散布工程が、液相の水を循環させて散布する工程である請求項１または請求項２記載のアンモニア水の製造方法。
【請求項４】
前記不活性ガスが、窒素ガスである請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアンモニア水の製造方法。
【請求項５】
アンモニアガスを水に溶解させるアンモニア水の製造装置であって、
アンモニアガスを水に溶解させる溶解槽と、
前記溶解槽の気相中へ不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、
前記溶解槽の気相中へアンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、
前記溶解槽の気相中で水を散布する散布手段と、
を少なくとも有することを特徴とするアンモニア水の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア水の製造方法およびその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンモニア水は、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を無害化するための脱硝処理に使用したり、洗浄、衣類の染み抜きや虫刺されの際の中和剤としてなど、その用途は多岐にわたる。
【０００３】
アンモニア水の製造方法としては、液体アンモニアを気化させたアンモニアガスを水に溶解する方法（例えば、特許文献１）や、液体アンモニアと水を混合する方法（例えば、特許文献２）が知られている。
液体アンモニアを気化させたアンモニアガスを水に溶解する場合、アンモニアガスは水へ急激に溶解するため、溶解槽中のガス体積が急激に減少する。このアンモニアガスが水へ溶解することによる凝縮エネルギーにより水撃（ウォーターハンマー）作用が生じて、装置に激しい振動や騒音が発生し、著しい場合には装置が破壊されてしまう。
アンモニアガスの水への溶解量や溶解速度を減少させれば、装置の振動等を緩和することができるものの、アンモニア水の製造に時間がかかることとなるため、製造効率が低下してしまう。
別の対策としては、水に対し溶解度が低い不活性ガスである窒素ガスを、アンモニアガスに同伴させる方法がある。窒素ガスを同伴すれば、溶解槽中のガス体積の急激な減少を抑えることができる。
しかしながら、窒素ガスを同伴する場合には、アンモニアガスが水へ溶解しても、窒素ガスはガスとして残存するために、窒素ガスを溶解槽外部へパージする必要がある。このパージガス中には、窒素ガスの他、アンモニア水のアンモニア分圧分のアンモニアガスが同伴してしまうため、原材料たるアンモニアガスのロスが発生してしまうだけでなく、このアンモニアガスを回収するための水による排気処理装置（スクラバー）が必要となる。
更には、排気処理装置を通過したパージガス中には、まだ少量のアンモニアガスが残存しているため、これを処理するための除害設備が必要となる。
【０００４】
また、液体アンモニアを水と混合する方法では、液体アンモニアが気化しないよう加圧状態や冷却状態にて混合する必要がある。特許文献２の場合には、液体アンモニアが気化しないよう１３〜１５Ｋｇ／ｃｍ２以上に加圧するか、７Ｋｇ／ｃｍ２で混合する場合には、１７℃以下に冷却して、液体アンモニアを水と混合する。
また、このように圧力や温度を厳密に制御したとしても、調節弁二次側で生じるキャビテーション・フラッシング等により液体アンモニアが気化する場合があり、上記のように気化したアンモニアは水へ急激に溶解するため、その際に装置に激しい振動や騒音が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５４８５５５号
【特許文献２】特許第３８８７８７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、設備の振動や騒音が発生することなく、より安全かつ製造条件の制御の容易なアンモニア水の製造方法、およびアンモニア水の製造装置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】
【０００７】
本発明者は、前記課題を解決するべく鋭意検討したところ、予め不活性ガスが充満している溶解槽中へアンモニアガスを導入すれば、不活性ガスを溶解槽外部へパージする必要がなく、アンモニアガスの水への溶解による溶解槽中のガス体積の急激な減少を緩和することができ、装置に発生する激しい振動や騒音を防止できることを見出した。さらに、溶解槽中の不活性ガスとアンモニアガスからなる混合ガス中へ水を散布させることにより、アンモニアガスを水に溶解させれば、ガス体積の急激な減少が抑えられ、かつ水撃作用も生じないため、上記振動等を防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明に係る第一の形態は、アンモニアガスを水に溶解させるアンモニア水の製造方法であって、溶解槽に少なくとも不活性ガスを含む気相と、少なくとも水を含む液相を形成する相形成工程と、前記溶解槽中の前記気相へアンモニアガスを導入する導入工程と、水を前記気相中へ散布する散布工程と、を少なくとも含むことを特徴とするアンモニア水の製造方法である。
【０００９】
本発明に係る第二の形態は、アンモニアガスを水に溶解させるアンモニア水の製造装置であって、アンモニアガスを水に溶解させる溶解槽と、前記溶解槽の気相中へ不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、前記溶解槽の気相中へアンモニアガスを導入するアンモニアガス導入手段と、前記溶解槽の気相中で水を散布する散布手段と、を少なくとも有することを特徴とするアンモニア水の製造装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアンモニア水の製造方法および製造装置によれば、設備の振動や騒音が発生することなく、より安全かつ容易にアンモニア水を製造することができる。また、原材料たるアンモニアガス、および不活性ガスである窒素ガスのロスの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に用いたアンモニア水の製造装置の全体の概略図。
【図２】実施例２に用いたアンモニア水の製造装置の全体の概略図。
【図３】本発明のアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図。
【図４】本発明のアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図。
【図５】本発明とは異なるアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図。
【図６】本発明とは異なるアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図。
【図７】本発明とは異なるアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について、詳細に説明する。
まず、本発明のアンモニア水の製造方法は、溶解槽内でアンモニアガスを水に溶解させる方法である。すなわち、アンモニアガスを水に溶解させるアンモニア水の製造方法であって、溶解槽に少なくとも不活性ガスを含む気相と、少なくとも水を含む液相を形成する相形成工程と、前記溶解槽中の前記気相へアンモニアガスを導入する導入工程と、水を前記気相中へ散布する散布工程と、を少なくとも含む。
相形成工程は、溶解槽中に気相と液相を形成する工程である。当該気相は、アンモニアガスが水へ溶解することで発生するガス体積の急激な減少を緩和するために、不活性ガスを少なくとも含む。そして、当該液相は、アンモニア水の原材料である水を少なくとも含む。
導入工程は、溶解槽中へアンモニア水の原材料であるアンモニアガスを導入する工程で
ある。水に不溶解な不活性ガスを含まないアンモニアガスを液相へ導入してしまうと、液相中の水へ急激に溶解して設備の振動等が生じてしまうため、気相へ導入する。
散布工程は、気相中へ水を散布する工程であり、この工程により、アンモニアガスが水へ溶解する。このとき、気相中の不活性ガスにより、アンモニアガスが水へ溶解することによるガス体積の急激な減少が抑制される。さらに、気相中でアンモニアガスが水へ溶解することから、水中でアンモニアガスを溶解させた場合に発生する水撃作用は発生せず、設備の振動等を抑制することができる。
【００１３】
本発明のアンモニア水の製造方法において、前記気相の圧力が０．０５〜０．５ＭＰａ（Ｇ）であることが好ましい。気相の圧力が０．０５ＭＰａ（Ｇ）よりも低いと、不活性ガスによるガス体積の急激な減少を抑制することが困難となる。アンモニアガスの溶解や、不活性ガスが水へ微量溶解してしまうことにより、気相の圧力が０．０５ＭＰａ（Ｇ）よりも低くなるおそれがある場合には、溶解槽へ不活性ガスを導入することにより、圧力を調整すればよい。また、原材料として液状のアンモニアではなくアンモニアガスを用いることから、アンモニアを液状に維持するために高圧条件下とする必要もないため、０．５ＭＰａ（Ｇ）よりも高い圧力にする必要もない。より好ましくは、前記気相の圧力が０．１〜０．５ＭＰａ（Ｇ）であれば、圧力制御が容易であり、アンモニア水を安定して製造することができる。
なお、製造の安全性を考慮して、アンモニア水溶液の蒸気圧が常に大気圧未満となるよう溶解槽内の温度を制御することが好ましい。例えば、アンモニア濃度２２質量％のアンモニア水を製造する場合であれば、溶解槽内の温度は４２℃以下に維持される。
【００１４】
本発明のアンモニア水の製造方法において、前記散布工程が、液相の水を循環させて散布する工程であってもよい。循環させることにより、液相の水をアンモニアガスと任意の回数接触させることができるため、アンモニア水のアンモニア濃度を管理することが容易となる。
【００１５】
本発明のアンモニア水の製造方法において、前記不活性ガスを、窒素ガスとすることができる。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス類元素や、窒素ガスといったガスが挙げられるが、汎用性の点から代表的な不活性ガスは、窒素ガスである。
【００１６】
次に、本発明のアンモニア水の製造装置について、以下説明する。
本発明の製造装置は、アンモニアガスを水に溶解させる溶解槽を基本設備とし、溶解槽中へ不活性ガスおよびアンモニアガスを導入する導入手段を有する。不活性ガスは、溶解槽中のガス体積の急激な減少を抑制するためのものであるため、液相中へ導入する必要性はなく、気相中へ導入する。また、アンモニアガスは、液相中へ導入してしまうと、水撃作用により溶解槽等の振動等が発生してしまうため、同様に気相中へ導入する。
溶解槽としては、密閉可能な圧力容器等を用いることができ、また、導入手段としては、ガスの導入が可能なホースやパイプ、管等を用いることができる。これらの溶解槽や導入手段としては、炭素鋼製やステンレス鋼製のものを使用することができる。
【００１７】
また、本発明の製造装置は、前記溶解槽の気相中で水を散布する手段を有する。気相中でアンモニアガスと水を接触させるための散布手段である。散布手段としては、散布部分にスプレーや噴霧器等が備えられているノズル等、水を微細な水滴や霧状にして散布することのできる手段を用いることができる。
【００１８】
その他、本発明の製造装置は、製造効率やアンモニア濃度の管理、不純物の除去等、必要に応じて循環ポンプや冷却器、圧力計、流量計、撹拌設備、濃度測定器、ろ過フィルター等を適宜有してもよい。
【００１９】
本発明の製造方法ならびに製造装置では、所定のアンモニア濃度に達したアンモニア水を製品として払い出し後、再度溶解槽で気相と液相を形成し、アンモニアガスを導入することにより、バッチ運転を繰り返すことができる。
また、製品アンモニア水の払い出しと、気相と液相の形成およびアンモニアガスの導入を同時かつ連続的に行うことで、アンモニア水を連続的に製造することも可能である。
【００２０】
以下、本発明のアンモニア水の製造方法および製造装置について、図面を参照して説明する。この場合において、本発明は図面の実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
図１は、実施例１に用いたアンモニア水の製造装置の全体の概略図である。
アンモニア水を製造するアンモニア水製造装置１、液体アンモニアを蒸発させてアンモニアガスを製造するアンモニア蒸発器１２、製造したアンモニア水等を冷却する冷却器１７、１８等を備え、液体アンモニアを出発原料として、所定濃度のアンモニア水を製造することができる装置である。
装置の基本原理や各設備の詳細については、実施例にて説明する。
【００２２】
図３は、図１に示すアンモニア水製造装置１のうち、本発明のアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図である。アンモニア水製造装置１は、溶解槽２を基本設備とし、溶解槽中の気相３中へ不活性ガスを導入する不活性ガス導入管４ａ、同様に気相中へアンモニアガスを導入するアンモニアガス導入管５、および気相中で水を散布する散布ノズル６ａを有している。散布ノズル６ａより散布された水は、液相７として溶解槽の底に溜まる構造となっている。溶解槽２中の気相３において、アンモニアガス導入管５から導入されたアンモニアガスと、散布ノズル６ａより散布された水が接触し、アンモニア水となる。
【００２３】
図４は、図３とは別の本発明のアンモニア水の製造装置の一態様を示す模式図であり、アンモニア水が製造される仕組みは同じであるが、散布ノズル６ａが液相７の水を循環させる構造となっている。アンモニアガスを導入し続ければ、循環される水のアンモニア濃度がどんどん濃くなっていく。これを利用して、水の循環量を制御することにより、製造されるアンモニア水のアンモニア濃度を調整することができる。
【００２４】
本発明のアンモニア水の製造装置では、不活性ガスとアンモニアガスは個々の導入手段により導入される。図５に示すように、不活性ガスとアンモニアガスを混合ガスとして同時に導入する管８により導入してしまうと、アンモニアガスは水に溶解するものの、不活性ガスは水にごく微量溶解するにすぎないため、不活性ガスにより溶解槽内の圧力がどんどん高くなってしまう。そのため、不活性ガスを溶解槽内より放出するための放出手段９が必要となるが、放出手段９からは不活性ガスのみならず、水へ溶解しなかったアンモニアガスも放出されてしまうことなる。結果として、図５に示す装置によりアンモニア水を製造する場合は、本発明の装置（図３、４）の場合と比べて、アンモニアガスならびに不活性ガスのロスが大きくなってしまう。
【００２５】
また、本発明のアンモニア水の製造装置では、不活性ガスとアンモニアガスは溶解槽の気相中へ導入される。図６に示すように、アンモニアガス導入管５が、液相７へアンモニアガスを導入する装置の場合、導入された直後の泡状のアンモニアガス１０（図６（ａ））が水へ急激に溶解して泡が消滅してしまうため（図６（ｂ））、水撃作用により溶解槽等に振動や騒音が発生することとなる。
【００２６】
図７に示すように、不活性ガスとアンモニアガスを混合ガスとして液相へ同時に導入すれば、導入直後の泡状のガス１１には不活性ガスが含まれることとなる。そのため、アンモニアガスが水へ溶解することで、泡は小さくなるものの、急激に泡が消滅することはな
く、上記図６により説明した水撃作用を緩和することが可能となる。しかしながら、不活性ガスを溶解槽内より放出するための放出手段９が必要となるため、上記図５で説明したように、アンモニアガスならびに不活性ガスのロスが大きくなってしまう。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例及び比較例に基づき本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００２８】
［実施例１］
本実施例では、図１に示す製造装置１をバッチ運転することによりアンモニア水を製造した。
製造装置１の基本原理としては、アンモニア蒸発器１２（型式：ケトル型熱交換機、蒸発量：７１２ｋｇ／ｈｒ）で液体アンモニア１３を蒸発させてアンモニアガス１４とし、アンモニアガス導入管５を介して、アンモニアガス１４をバッファータンク３０で一時貯蔵する。アンモニアガス１４は、バッファータンク３０から適宜必要量が溶解槽２（型式：堅型ドラム、サイズ：直径２３００ｍｍ、高さ４２００ｍｍ）へ導入される。溶解槽２には、溶解水導入管１５から溶解水が導入されて液相７と、窒素ガス導入管４から窒素ガスが導入されて気相３が形成されている。液相７の溶解水は、循環ポンプ１６により循環し、第１冷却器１７および第２冷却器１８を介して循環液スプレーノズル６ｂにより気相３中で散布される。導入されたアンモニアガス１４は、散布された溶解水に気相３中で溶解し、アンモニア水が製造される。溶解水を任意の量および時間循環させることにより、所定のアンモニア濃度となったアンモニア水は、アンモニア濃度測定器（ＡＲ）３０によりアンモニア濃度を測定後、払い出し弁１９を解放することで製造装置１から払い出される。以上の原理により、アンモニア水は製造装置１により製造される。
【００２９】
なお、アンモニア蒸発器１２による液体アンモニア１３の受け入れ圧力は０．３〜１．５ＭＰａ（Ｇ）であり、この受け入れ圧力の飽和温度−２．０〜４３．３℃で液体アンモニア１３を蒸発させてアンモニアガス１４とする。液体アンモニアの受け入れ量は、液面計２４で制御し、アンモニアガスの発生により液体アンモニアの液面が低下するため、これに見合う液体アンモニアが液面アンモニア供給バルブ２５を通して供給される。
【００３０】
また、アンモニアガスは、水へ溶解する際に溶解熱が発生し、アンモニア水の液温が上昇してしまうため、第１冷却器１７と第２冷却器１８が備えられている。第１冷却器１７の冷媒は冷媒タンク２０から供給されるエチレングリコールやプロピレングリコール等の水溶液である。図３の製造装置では、アンモニアガスの発生により得られる冷熱をアンモニア水の冷却に利用する仕組みとなっており、第１冷却器１７とアンモニア蒸発器１２、冷媒タンク２０が冷媒管２１によりつながって、冷媒管２１内部を冷媒Ｉが循環している。
一方、冷却器１８は外部の冷却塔等より冷媒ＩＩが冷媒管３３から供給されて冷媒管３４へ排出される仕組みとなっており、冷却水や海水、エチレングリコールやプロピレングリコール等の水溶液を冷媒としている。
【００３１】
ミキシングノズル２２は、液相７を撹拌するものであり、アンモニアガスの溶解熱によるアンモニア水の液温の偏りを緩和し、製品アンモニア水のアンモニア濃度を安定化させるとともに、冷却効率を上げるはたらきをする。
【００３２】
その他、液面制御器（ＬＣ）２４、圧力制御器（ＰＣ）２６、温度検出器（ＴＩ）２７、圧力検出器（ＰＩ）２８、流量調節計（ＦＣ）２９、および積算流量調節計（ＦＣＱ）３２は、それぞれ窒素ガス導入管４、アンモニアガス導入管５、循環液スプレーノズル６、アンモニア蒸発器１２、および冷媒管２１の液面、圧力や温度等を適宜コントロールお
よび検出するものである。
【００３３】
上記を踏まえて、実施例１におけるアンモニア水の製造工程を説明する。
まず、溶解槽２へ溶解水を１５分かけて７１４９ｋｇ張り込んだ。溶解水の張り込み後、循環ポンプ１６を起動し、循環運転を開始して溶解水を散布させた。循環運転と同時に、溶解槽２へ１０分かけて窒素ガスを導入し、気相３の圧力を０．１ＭＰａ（Ｇ）へ上昇させた。そして、溶解槽２へアンモニアガスを供給速度７１２ｋｇ／ｈｒで積算量が２０１６ｋｇとなるまで導入した。これらの操作によりアンモニア水の製造を開始するとともに、循環している溶解水のアンモニア濃度測定器（ＡＲ）３０で監視し、１７０分かけてアンモニアガスを溶解させた。その後、循環しているアンモニア水の濃度を均一化するため、アンモニア水を３０分循環させた。アンモニア水の濃度が均一となったら、製品アンモニア水として払い出しを行った。
【００３４】
なお、液体アンモニアは圧力１０６１ＭＰａ（Ａ）、温度２７℃でアンモニア蒸発器１２へ供給した。溶解水の供給温度および製品アンモニアの払い出し温度を２５℃とし、冷媒の温度は１〜５℃とした。
【００３５】
上記により、４時間の製造時間でアンモニア濃度２２質量％のアンモニア水が製造された。アンモニア濃度は、アンモニア濃度測定器（ＡＲ）３０により確認した。上記製造工程において、製造装置１に振動や騒音は発生せず、安全かつ容易に製造することができた。
【００３６】
［実施例２］
本実施例では、図２に示す製造装置により、連続運転することでアンモニア水を製造した。基本原理は図１に示すバッチ式の製造装置と同様であるが、バッチ式ではなく連続運転するために、溶解槽２へ導入されるアンモニアガスと溶解水の導入比率を制御するための比率制御装置２３を備える点において、図１に示す製造装置とは異なる。
【００３７】
連続運転としては、まず、実施例１に準じた手順により、１バッチ分の２２質量％アンモニア水を製造するとともに、溶解槽２内のアンモニア水のアンモニア濃度を均一化するために、予めミキシングノズル２２によりアンモニア水を撹拌した。
次に、２２質量％アンモニア水を製品アンモニア水として２．５ｋＬ／ｈｒで払い出しを開始し、それと同時に溶解水を１７９０ｋｇ／ｈｒと、アンモニアガス１４を５０４ｋｇ／ｈｒとを、比率制御装置２３により導入比率を制御しつつ、溶解槽２へ導入することにより、アンモニア水を製造した。
アンモニア水の製造中に窒素ガスが水に溶解して、溶解槽２の気相３の圧力が０．０５ＭＰａ（Ｇ）を下回らないよう、適宜窒素ガスを溶解槽２内へ導入した。
【００３８】
上記によりアンモニア濃度２２質量％のアンモニア水が製造された。アンモニア濃度は、アンモニア濃度測定器（ＡＲ）３０により確認した。上記製造工程において、製造装置１に振動や騒音は発生せず、安全かつ容易に製造することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のアンモニア水の製造方法および製造装置によれば、原材料たるアンモニアガスのロスの発生を抑制しつつ、より安全かつ容易にアンモニア水を製造することができるため、産業上有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１    アンモニア水製造装置
２    溶解槽
３    気相
４ａ  不活性ガス導入管
４ｂ  窒素ガス導入管
５    アンモニアガス導入管
６ａ  散布ノズル
６ｂ  循環液スプレーノズル
７    液相
８    混合ガス導入管
９    放出手段
１０    泡状アンモニアガス
１１    泡状混合ガス
１２    アンモニア蒸発器
１３    液体アンモニア
１４    アンモニアガス
１５    溶解水導入管
１６    循環ポンプ
１７    第１冷却器
１８    第２冷却器
１９    払い出し弁
２０    冷媒タンク
２１    冷媒管
２２    ミキシングノズル
２３    比率制御装置
２４    液面制御器（ＬＣ）
２５    液面アンモニア供給バルブ
２６    圧力制御器（ＰＣ）
２７    温度検出器（ＴＩ）
２８    圧力検出器（ＰＩ）
２９    流量調節計（ＦＣ）
３０    アンモニア濃度測定器（ＡＲ）
３１    バッファータンク
３２    積算流量調節計（ＦＣＱ）
３３    冷媒管
３４    冷媒管
【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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