JP4268015B2 - 重水濃縮方法、重水濃縮装置 - Google Patents
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水を電気分解すると、水素ガスと酸素ガスが2:1の割合で発生するが、水素が発生する際に、水素と重水素の電解電圧の差により、重水素の方が水素よりガスになり難く、水として残り易い性質がある。この性質を利用すると、電解ガス中にはより水素に富んだ成分が、電解液中にはより重水素に富んだ成分が濃縮される。しかし、この方法では、水の電解のために膨大な電力を必要とするという欠点がある。
H2OとD2Oの蒸気圧の差を利用し、蒸留により分離する方法である。しかし、この方法では、H2OとD2Oの蒸気圧差が非常に小さいために、理論段数が十数段にもなる精留塔を数列設ける必要があり、装置構成が大掛りなものとなるという欠点がある。
水・水素同位体交換反応法は、白金触媒の作用により、水と水素の間で水素原子が置き換わる反応を水素同位体の分離に応用する方法である。この方法では、電解槽で発生した重水素ガス(D2)が交換反応ユニットの反応部を上向きに通過すると、その重水素(D)の一部が劣化重水の水蒸気(HDO)を構成する水素(H)と置き換わり、重水の水蒸気(D2O)になる。次に、この重水の水蒸気が吸収部を通過すると、その一部が下向きに流れる劣化重水に移行する。総合的には、重水素ガスの重水素(D)と劣化重水の水素(H)が交換される結果となり、劣化重水が交換反応塔を下向きに流れるにつれて、HDOからD2Oに濃縮され、最終的に製品重水が得られるというものである。この方法も、複雑で大型の装置を必要とする方法である。
本発明の重水濃縮方法は、軽水及び重水を含有する水と、ハイドレート形成物質とを、該ハイドレート形成物質と重水とのハイドレート生成平衡条件より低温・高圧側であり、かつ該ハイドレート形成物質と軽水とのハイドレート生成平衡条件より高温・低圧側の条件で接触させて重水からハイドレートを生成させ、生成した重水によるハイドレートを軽水から分離することによって実施される。
図1は、ハイドレート形成物質の代表例としての二酸化炭素ハイドレートにおける軽水と重水のハイドレート生成平衡曲線を示す図面である。図1中、温度をt1(=280K)に固定して考えた場合、圧力p1である条件Aは、重水も軽水もCO2ハイドレートを形成しない条件である[以下、A(t1,p1)のように記す。条件B〜Eについても同様に表記する]。条件B(t1,p2)は、重水によるCO2ハイドレートの相平衡条件である。条件C(t1,p3)は、後述するように定常条件として好適な「ハイドレート生成平衡条件より僅かに高圧側」の条件を示し、条件D(t1,p4)は「過圧条件」を示す(これらの条件については後述する)。条件E(t5,p5)は、軽水によるCO2ハイドレートの相平衡条件であり、条件F(t1,p6)は、軽水と重水の両方がCO2ハイドレートを生成する条件である。なお、二酸化炭素ハイドレートの温度280Kにおける相平衡条件は、条件Bのp2=1800kPaであり、条件Eのp5=2800kPaである。
ハイドレート生成の定常条件を、前記ハイドレート形成物質と重水とのハイドレート生成平衡条件より僅かに低温側もしくは僅かに高圧側に設定する場合、最初のハイドレート結晶が生じるまでに非常に時間がかかる場合がある。このため、ハイドレートの製造開始時点または製造途中の任意の時点で、瞬間的に過冷却条件および/または過圧条件に移行させることによって、ハイドレートの結晶生成を促し、種結晶として機能させることにより、その後のハイドレート生成を効率的に行うことができる。
図2の重水濃縮装置100は、常温・常圧でガス状のハイドレート形成物質を用い、重水とハイドレート形成させることによって重水を濃縮するものである。重水濃縮装置100は、主要な構成としてハイドレート製造装置10、静置容器20、ハイドレート脱水装置30およびハイドレート分解装置40を備えている。
すなわち、ハイドレート製造装置10には、熱交換器などの冷却装置11と、圧力制御手段としての圧力制御弁12および圧力制御弁13が付設されており、容器内部の温度と圧力をハイドレート生成条件に調整できる。一般には、図示しないポンプ等によって耐圧容器の内部を加圧するとともに、冷却装置11により冷却し、ハイドレート生成条件に設定する。本実施形態のハイドレート製造装置10では、圧力制御弁12が設けられ、前記「定常条件」を維持する圧力制御が容易に行えるほか、ハイドレート製造装置10内部の圧力を速やかに変化させ得るため、過圧条件への急激なシフトと定常条件への復帰を応答性良く短時間で行うことができるように構成されている。
11 冷却装置
12 圧力制御弁
20 静置容器
21 静置タンク
22 屈曲部
23 ハイドレート回収部
25 受け部
27 壁
28 弁
30 ハイドレート脱水装置
40 ハイドレート分解装置
50 マイクロバイブル発生装置
60 ガス貯蔵タンク
61 圧縮機
70 濃縮重水貯蔵タンク
80 ガスハイドレート
81 軽水
100 重水濃縮装置
Claims (6)
- 軽水及び重水を含有する水と、ハイドレート形成物質とを、該ハイドレート形成物質と重水とのハイドレート生成平衡条件より低温・高圧側であり、かつ該ハイドレート形成物質と軽水とのハイドレート生成平衡条件より高温・低圧側の条件で接触させて重水からハイドレートを生成させ、
生成した重水によるハイドレートを軽水から分離することを特徴とする、重水濃縮方法。 - 請求項1において、重水によるハイドレート生成の定常条件を、前記ハイドレート形成物質と重水とのハイドレート生成平衡条件より僅かに低温側または僅かに高圧側に設定するとともに、
ハイドレートの製造開始時点または製造途中の任意の時点で、温度および/もしくは圧力を急激に変化させて、前記定常条件より低温側の条件および/もしくは高圧側の条件に移行させた後、前記定常条件に戻す操作を行うことを特徴とする、重水濃縮方法。 - 請求項1または請求項2において、軽水から分離した前記ハイドレートを分解してハイドレート形成物質を放散させ、重水を回収することを特徴とする、重水濃縮方法。
- 軽水及び重水を含有する水とハイドレート形成物質とを接触させてハイドレートを生成させるハイドレート製造装置と、
前記ハイドレート製造装置から取出した内容物を静置することにより軽水中のハイドレートを浮上させて分離回収する静置容器と、
回収したハイドレートを分解するハイドレート分解装置と、
を備えたことを特徴とする、重水濃縮装置。 - 請求項4において、前記ハイドレート製造装置に、圧力を調整する圧力制御手段を設けたことを特徴とする、重水濃縮装置。
- 請求項4または請求項5において、前記静置容器は、容器下部に比較して容器上部の断面積が小さく形成されていることを特徴とする、重水濃縮装置。
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