JP4365635B2

JP4365635B2 - Deuterium production apparatus, deuterium production method, and deuterium production plant

Info

Publication number: JP4365635B2
Application number: JP2003195160A
Authority: JP
Inventors: 耕一郎池田; 稔田窪; 充裕小原; 晃一栗田; 正則島崎; 優鈴木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP2005028264A

Description

【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水素冷却工程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Ｔ_H1で、圧力がＰ_H1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Ｔ_N1、圧力Ｐ_N1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（Ｔ_H1）の原料水素Ｈ１と極低温（Ｔ_N1）のＬＮＧ１とが熱交換して、原料水素Ｈ１の温度はＴ_H1からＴ_H2（−１３０〜−１４０℃程度）まで低下する（Ｔ_H1＞Ｔ_H2）。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Ｐ_H1はＰ_H2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Ｔ_N1からＴ_N2へ上昇する（Ｔ_N1＜Ｔ_N2）。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Ｐ_H2はＰ_H3へ減圧されるとともに、温度はＴ_H2からＴ_H3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Ｔ_H4からＴ_H5に、圧力はＰ_H4からＰ_H5に上昇する（Ｔ_H4＜Ｔ_H5、Ｐ_H4＜Ｐ_H5）。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Ｔ_H5からＴ_H6に、圧力はＰ_H5からＰ_H6に上昇する（Ｔ_H5＜Ｔ_H6、Ｐ_H5＜Ｐ_H6）。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Ｔ_H6、圧力がＰ_H6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Ｔ_H7、圧力がＰ_H7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（Ｔ_H6＜Ｔ_H7）。
【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Ｐ_s（大気圧）よりも低い圧力Ｐ_l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６２_r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
２２ＬＮＧ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
１２０ＬＮＧ供給設備[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to deuterium production, and more particularly, to a deuterium production apparatus and deuterium production method, and a deuterium production plant capable of suppressing energy consumption when producing deuterium and reducing deuterium production costs.
[0002]
[Prior art]
Deuterium D is a stable isotope element of hydrogen. Although it exists in nature, its abundance ratio is low. Currently, deuterium is mainly used for research purposes such as labeling and nuclear fusion, and nuclear power plants using heavy water reactors. In recent years, deuterium has been used for new applications such as semiconductor silicon annealing and deuterium-substituted optical fibers. Has been found. Currently, deuterium is produced by a cryogenic distillation method disclosed in Patent Document 1 or an electrolysis method disclosed in Patent Document 2.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-253487, P3, FIG.
[Patent Document 2]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-289853 P2
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above cryogenic distillation method, it is necessary to cool the raw hydrogen containing deuterium to the liquid hydrogen temperature, and the energy consumed by the helium refrigerator used for this cooling is enormous. In addition, the electrolysis method is also H ₂ And D ₂ Therefore, there is a problem that the amount of power energy consumption becomes excessive because of the fact that the separation ratio is small, and thus multi-stage electrolysis is required. Therefore, the present invention has been made in view of the above, and a deuterium production apparatus, a deuterium production method, and a deuterium production capable of suppressing energy consumption when producing deuterium and reducing deuterium production cost. The purpose is to provide a plant.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a deuterium production apparatus according to the present invention includes a first cooling means for cooling raw hydrogen containing deuterium with liquefied natural gas, and the raw hydrogen cooled by the first cooling means. And a deuterium enrichment for concentrating deuterium from the source hydrogen cooled by the second cooling means by a vapor phase adsorption method. And means.
[0006]
This deuterium production apparatus cools raw hydrogen in two stages: cooling with liquefied natural gas and decompression of raw hydrogen after cooling with liquefied natural gas. Thus, by combining not only the liquefied natural gas but also the reduced pressure of the raw material hydrogen, the raw material hydrogen can be easily adjusted to gas conditions of cryogenic temperature and normal pressure as compared with the case of cooling with the liquefied natural gas alone. Moreover, since it cools by decompression of raw material hydrogen, it is not necessary to prepare the special apparatus and cooling source for cooling, and the energy required for cooling can be reduced. Thereby, the energy consumption and manufacturing cost which are required for deuterium production can be reduced.
[0007]
Further, as in the deuterium production apparatus according to the present invention, the first cooling means cools the raw hydrogen using liquefied natural gas of −140 ° C. or less, and the second cooling means cools the raw hydrogen. It is preferable to cool to −190 ° C. or lower. As described above, if the source hydrogen is cooled to −190 ° C. or less, the isotope effect is enhanced. As a result, the deuterium separation efficiency is improved, so that deuterium can be produced efficiently. Energy consumption can be reduced. Here, the isotope effect refers to a difference in equilibrium adsorption of molecules having different masses.
[0008]
Further, the deuterium production apparatus according to the next aspect of the present invention is the deuterium production apparatus, wherein a raw material hydrogen purifying means for removing impurities from the raw hydrogen and supplying the raw hydrogen to the raw hydrogen adjusting means, and after deuterium is separated Hydrogen boosting means for boosting the source hydrogen.
[0009]
This deuterium production device separates and concentrates deuterium after removing impurities such as methane contained in the source hydrogen by the source hydrogen refining means, so the source hydrogen of the purity required for deuterium concentration by the gas phase adsorption method Can be supplied stably. Further, by boosting the cryogenic / normal pressure source hydrogen after separating the deuterium by the hydrogen boosting means, it is possible to adjust the hydrogen to a temperature and pressure condition suitable for the facility using the hydrogen after the deuterium separation.
[0010]
The deuterium production apparatus according to the present invention is characterized in that, in the deuterium production apparatus, the hydrogen boosting means is driven by expansion energy when the raw hydrogen is depressurized.
[0011]
Thus, the overall energy consumption of the deuterium production apparatus can be reduced by recovering the expansion energy when decompressing the raw material hydrogen using, for example, an expansion turbine and using it for the hydrogen boosting means. Can do. Thereby, the cost required for deuterium production can be reduced.
[0012]
Further, the deuterium production method according to the present invention includes a first cooling step of cooling raw hydrogen containing deuterium with liquefied natural gas, and the first hydrogen cooling. Process A second cooling step for further cooling the source hydrogen by depressurizing the source hydrogen cooled by the step, and deuterium for separating deuterium from the source hydrogen cooled in the second cooling step by a vapor phase adsorption method And a concentration step.
[0013]
This deuterium production method cools raw material hydrogen in two stages: cooling with liquefied natural gas and decompression of raw hydrogen after cooling with liquefied natural gas. Thus, by combining not only the liquefied natural gas but also the reduced pressure of the raw material hydrogen, the raw material hydrogen can be easily adjusted to gas conditions of cryogenic temperature and normal pressure as compared with the case of cooling with the liquefied natural gas alone. Moreover, since it cools by decompression of raw material hydrogen, it is not necessary to prepare the special apparatus and cooling source for cooling, and the energy required for cooling can be reduced. Thereby, the energy consumption and manufacturing cost which are required for deuterium production can be reduced.
[0014]
The following deuterium production method according to the present invention is the deuterium production method described above, wherein the raw hydrogen purification step removes impurities from the raw hydrogen before the first cooling step, and the raw material after deuterium is separated. And a boosting step for boosting hydrogen.
[0015]
In this deuterium production method, deuterium is separated and concentrated after removing impurities such as methane contained in the raw hydrogen, so stable supply of raw hydrogen of the purity required for deuterium concentration by vapor phase adsorption method is possible. it can. In addition, by raising the cryogenic temperature / normal pressure raw material hydrogen after deuterium separation / concentration, the hydrogen can be adjusted to a temperature and pressure conditions suitable for facilities using hydrogen after deuterium separation.
[0016]
Further, in the deuterium production method according to the present invention, in the deuterium production method, when the purity of the raw hydrogen is lower than a predetermined value, the raw material until the purity of the raw hydrogen becomes a predetermined value or more. The hydrogen purification step is repeated.
[0017]
In this deuterium production method, when the purity of the raw hydrogen after purification is lower than the predetermined purity, the purification process of the raw hydrogen is repeated until the raw hydrogen becomes equal to or higher than the predetermined hydrogen purity. The raw material hydrogen having the purity required for the can be supplied more stably.
[0018]
Further, the deuterium production plant according to the present invention stores the deuterium production apparatus and deuterium produced by the deuterium production apparatus, and supplies the deuterium to the deuterium utilization target as necessary. And a deuterium storage facility.
[0019]
Since this deuterium production plant is equipped with the above deuterium production apparatus, the combination of not only the liquefied natural gas but also the reduced pressure of the raw hydrogen makes it easier to convert the raw hydrogen to a cryogenic temperature It can be adjusted to gas conditions at normal pressure. Moreover, since it cools by decompression of raw material hydrogen, it is not necessary to prepare the special apparatus and cooling source for cooling, and the energy required for cooling can be reduced. Thereby, the energy consumption and manufacturing cost which are required for deuterium production can be reduced.
[0020]
Further, the deuterium production plant according to the present invention is a hydrogen utilization facility that supplies raw hydrogen to the deuterium production apparatus and uses raw hydrogen from which deuterium is separated, in the deuterium production plant, A natural gas supply facility for supplying liquefied natural gas to the deuterium production apparatus and receiving from the deuterium production apparatus natural gas that has become liquid or gas whose temperature has been raised by cooling raw hydrogen, and the deuterium production apparatus. Control means for controlling to a predetermined operating condition.
[0021]
Since this deuterium production plant uses hydrogen used in hydrogen utilization equipment as raw hydrogen, it can reduce the raw material cost of deuterium. Moreover, since the supply of liquefied natural gas is received as a cryogen from the natural gas supply facility, a refrigerator for cooling the raw material hydrogen becomes unnecessary. Thereby, since raw material hydrogen can be cooled only with the conveyance energy of liquefied natural gas, refrigerator drive energy becomes unnecessary and the energy required for cooling raw material hydrogen can be reduced significantly. Thereby, the operating cost of a deuterium production plant can be significantly reduced, and the production cost of deuterium can be reduced. Further, since the natural gas supply facility receives the liquefied natural gas or the vaporized natural gas, the energy for vaporizing the natural gas when supplying the natural gas to the natural gas utilization target can be reduced.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or that are substantially the same.
[0023]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a deuterium production plant including a deuterium production apparatus according to an embodiment of the present invention. This deuterium production apparatus 1 is a two-stage process of normal temperature and high pressure raw material hydrogen containing deuterium by heat exchange with liquefied natural gas (LNG) at -140 ° C or lower and cooling by depressurization (adiabatic expansion). To −190 ° C. or lower. And, it is characterized in that deuterium is separated and cooled from the cooled raw material hydrogen by a vapor phase adsorption method.
[0024]
A deuterium production plant 100 shown in FIG. 1 includes a hydrogen utilization facility 110, an LNG supply facility 120, and a deuterium production apparatus 1. The deuterium production apparatus 1 is supplied with raw hydrogen from the hydrogen utilization facility 110, and is supplied with LNG for cooling the raw hydrogen and the deuterium concentration unit 10 from the LNG supply facility 120. The source hydrogen contains deuterium and is supplied as hydrogen gas at normal temperature (about 10 to 35 ° C.) and high pressure (about 2 to 3 MPa). The LNG supplied from the LNG supply facility 120 is adjusted to a temperature of −140 ° C. or lower, more preferably −150 ° C. or lower.
[0025]
The hydrogen utilization facility 110 is a facility that utilizes hydrogen in some form, and includes, for example, a heavy oil processing facility in an oil refinery plant. Since heavy oil treatment includes hydrogenation treatment by catalytic reaction, hydrogen for treatment is required, but this hydrogen does not have to be deuterium. Therefore, in the deuterium production apparatus 1 according to the present invention, deuterium is separated and concentrated from the raw hydrogen containing deuterium supplied from the hydrogen utilization facility 110, and the hydrogen after deuterium separation is returned to the hydrogen utilization facility 110. This is used as hydrogen for heavy oil treatment. As described above, in the deuterium production apparatus 1 and the deuterium production plant 100 according to the present invention, the hydrogen used in the hydrogen utilization facility is utilized as the raw hydrogen, so that the deuterium raw material cost can be reduced.
[0026]
The LNG supply facility 120 supplies LNG 1 cooled to −140 ° C. or less to the raw hydrogen adjusting unit 20 that is the raw hydrogen adjusting unit of the deuterium production apparatus 1 and the deuterium concentrating unit 10 that is the deuterium concentrating unit. Then, GNG (Gas Natural Gas) vaporized by cooling the raw hydrogen or deuterium concentration unit 10 in the deuterium production apparatus 1 or LNG 2 subjected to sensible heat exchange is returned to the LNG supply facility 120. The LNG supply facility 120 is, for example, an existing LNG plant, and the LNG 2 returned from the deuterium production apparatus 1 is used as it is or by vaporizing the LNG 2 that has undergone sensible heat exchange. Supply. In general, LNG is vaporized and then supplied to the object to be used. In the deuterium production plant 100 according to the present invention, LNG is vaporized or subjected to sensible heat exchange when the raw hydrogen is cooled in the deuterium production apparatus 1. For this reason, before supplying LNG to a utilization object, the energy which vaporizes this can be reduced extremely and the operating cost of the LNG supply equipment 120 can be reduced. In addition, when the deuterium production apparatus 1 of the present invention is constructed adjacent to the existing hydrogen utilization facility 110 and the LNG supply facility 120, it can receive the supply of raw material hydrogen and LNG as a cold source, thereby The operating cost can be reduced.
[0027]
Next, the deuterium production apparatus 1 according to the present invention will be described. This deuterium production apparatus 1 includes a raw hydrogen supply unit that adjusts the pressure and temperature conditions of the raw hydrogen supplied from the hydrogen utilization facility 110 and the returned hydrogen after deuterium separation, and the deuterium is separated from the raw hydrogen. And a deuterium concentration unit 10 for concentration. Moreover, you may provide the pre-processing unit 30 which is a raw material hydrogen refinement | purification means in the front | former stage of the raw material hydrogen adjustment unit 20 as needed.
[0028]
The raw hydrogen supplied to the deuterium concentration unit 10 needs to have a predetermined purity or higher. For this reason, the pretreatment unit 30 removes impurities such as methane and sulfur from the raw material hydrogen, purifies the raw material hydrogen to a predetermined purity (for example, about 90% or more of the hydrogen component), and then supplies the raw material to the raw material hydrogen adjustment unit 20. Supply hydrogen. As a purification method of the pretreatment unit 30, for example, an impurity removal method by pressurized vapor phase adsorption or an impurity removal method by a hollow membrane can be used. According to the former, the hydrogen purity can be purified to about 99.99%, and according to the latter, the hydrogen purity can be purified to about 99.9%.
[0029]
The raw material hydrogen adjustment unit 20 includes a first hydrogen pipe 62. ₁ The raw material hydrogen purified to a predetermined purity by the pretreatment unit 30 is supplied via In the present embodiment, the raw hydrogen gas conditions are room temperature and high pressure, and the operating conditions of the deuterium concentration unit 10 are extremely low temperature (−140 ° C. or lower) and normal pressure (around 0.1 MPa). For this reason, it is necessary to supply the raw hydrogen at normal temperature and high pressure to the deuterium concentration unit 10 after adjusting the gas conditions at cryogenic temperature and normal pressure. The raw hydrogen adjusting unit 20 adjusts the gas condition of the raw hydrogen at normal temperature and high pressure to extremely low temperature and normal pressure, and the second hydrogen pipe 62 ₂ To the deuterium concentration unit 10.
[0030]
Further, the raw hydrogen after separation and concentration of deuterium is supplied from the deuterium concentration unit 10 to the third hydrogen pipe 62 as return hydrogen at a cryogenic temperature and normal pressure. _Three Will be returned via. Since the hydrogen gas conditions used in the hydrogen utilization facility 110 are normal temperature and high pressure, it is necessary to adjust the cryogenic and normal pressure return hydrogen sent from the deuterium concentration unit 10 to normal temperature and high pressure gas conditions. That is, the raw hydrogen adjusting unit 20 adjusts the return hydrogen at a cryogenic temperature / normal pressure to a gas condition at a normal temperature / high pressure, and then the fourth hydrogen pipe 62. _Four It also has a function of returning to the hydrogen utilization facility 110 via
[0031]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the raw material hydrogen adjusting unit according to the embodiment of the present invention. The function of the raw material hydrogen adjustment unit 20 according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. The raw material hydrogen H1 purified to a predetermined purity by the pretreatment unit 30 (see FIG. 1) is supplied to the raw material hydrogen adjustment unit under normal temperature and high pressure gas conditions. The gas condition at this time is that the temperature is T _H1 And the pressure is P _H1 It is. The raw material hydrogen H1 is led to the LNG heat exchanger 22 which is the first cooling means provided in the raw material hydrogen adjustment unit 20. The LNG heat exchanger 22 has a cryogenic / high pressure temperature T supplied from the LNG supply facility 120. _N1 , Pressure P _N1 Liquefied natural gas LNG1 is supplied.
[0032]
In the LNG heat exchanger 22, normal temperature (T _H1 ) Raw material hydrogen H1 and cryogenic temperature (T _N1 ) Of LNG1 is heat exchanged, and the temperature of the raw material hydrogen H1 is T _H1 To T _H2 (T -130 to -140 ° C) _H1 > T _H2 ). Due to the pressure loss when the raw material hydrogen H1 flows in the LNG heat exchanger 22, the pressure P of the raw material hydrogen H1 _H1 Is P _H2 Slightly decreases. LNG1 has a temperature T by cooling the raw material hydrogen H1. _N1 To T _N2 (T _N1 <T _N2 ). The heated LNG 2 is liquefied or vaporized depending on temperature conditions, pressure conditions, etc. to become GNG, and is returned to the LNG supply facility 120. Thus, since LNG1 is heated from extremely low temperature to substantially room temperature by cooling the raw material hydrogen H1, even if the raw material hydrogen H1 is liquefied after cooling, the energy required for the subsequent gasification is extremely reduced. Is done.
[0033]
The raw hydrogen H2 cooled by the LNG 1 is sent to the expansion turbine 24 that is the second cooling means. When the raw material hydrogen H2 is adiabatically expanded in the expansion turbine 24, its pressure P _H2 Is P _H3 And the temperature is T _H2 To T _H3 To drop. Thereby, the temperature of the raw material hydrogen H3 is lowered to −190 ° C. or lower, and the pressure is lowered to normal pressure, so that deuterium can be separated and concentrated from the raw material hydrogen H3 in a region where the isotope effect is high. In this way, the raw hydrogen adjusting unit 20 can adjust the raw hydrogen gas conditions to the cryogenic temperature / normal pressure region, which is the operating condition of the deuterium concentrating unit 10.
[0034]
The second cooling means may adiabatically expand the raw hydrogen H2 by using, for example, an expansion valve or the like. However, as in the present embodiment, the expansion turbine 24 is used to drive the expansion energy of the raw hydrogen H2. Can be recovered. The expansion energy of the raw material hydrogen H2 recovered by the expansion turbine 24 is, for example, a generator 70. ₁ Can be converted into electrical energy. Moreover, you may collect | recover the rotational motion of the expansion turbine 24 as direct kinetic energy.
[0035]
The raw material hydrogen H3 whose gas conditions are adjusted to the cryogenic temperature and normal pressure, which are the operating conditions of the deuterium concentration unit 10, is supplied to the deuterium concentration unit 10, where the deuterium is separated and concentrated. In the deuterium enrichment unit 10, heat of adsorption and other (rotary equipment, external heat input) exotherm Q-101 is generated and given to the raw material hydrogen H3. The raw hydrogen H4 after the deuterium is separated is returned to the hydrogen utilization facility 110 (see FIG. 1), and the gas conditions in the hydrogen utilization facility 110 are normal temperature and high pressure. Since the raw material hydrogen H4 after the deuterium is separated is an extremely low temperature / normal pressure gas condition, it is necessary to adjust the gas condition of the raw material hydrogen H4 to the gas condition in the hydrogen utilization facility 110 by the temperature raising means and the pressure raising means. . For this reason, the raw material hydrogen H4 is sent to the boosting means, where the pressure is raised and the temperature is raised at the same time. In the embodiment of the present invention, two compressors are used for the boosting means, but depending on the specifications and performance of the compressor, one compressor may be used, or three or more compressors may be used. Good.
[0036]
1st compressor 72 which compresses raw material hydrogen H4 ₁ Motor 70 ₂ Driven by. Motor 70 ₂ Is a generator 70 ₁ Driven by electrical energy generated from Generator 70 ₁ Is driven by the expansion turbine 24 so that the first compressor 72 ₁ Is driven by the expansion energy of the raw material hydrogen H2 recovered by the expansion turbine 24. Thus, if the expansion turbine 24 is used as the second cooling means, the overall energy consumption of the deuterium production apparatus 1 as a whole can be suppressed by utilizing the expansion energy of the recovered raw material hydrogen H2.
[0037]
The raw hydrogen H4 is supplied from the first compressor 72. ₁ The temperature is T _H4 To T _H5 The pressure is P _H4 To P _H5 (T _H4 <T _H5 , P _H4 <P _H5 ). The raw material hydrogen H5 whose temperature has been increased and increased is supplied to the second compressor 72. ₂ Where the temperature is T _H5 To T _H6 The pressure is P _H5 To P _H6 (T _H5 <T _H6 , P _H5 <P _H6 ). Note that the expansion energy of the recovered raw material hydrogen H2 is the second compressor 72. ₂ It may be used at the same time, and it may be designed so as to have the highest energy efficiency when the entire raw material hydrogen adjustment unit 20 is considered.
[0038]
Temperature is T _H6 , Pressure is P _H6 The raw material hydrogen H6 that satisfies the gas conditions is led to the return hydrogen heat exchanger 76, and the temperature rises to room temperature. Here, the heating medium CW2 having the energy Q-104 is sent from the pump 74 to the return hydrogen heat exchanger 76, and the raw material hydrogen H6 exchanges heat with the heating medium CW2. As the heating medium CW2, for example, seawater having thermal energy Q-104, factory water, or the like is pumped up and used. And the temperature is T _H7 , Pressure is P _H7 The raw material hydrogen H7 is returned to the hydrogen utilization facility 110 as return hydrogen (T _H6 <T _H7 ).
[0039]
Next, the deuterium concentration unit 10 will be described. The deuterium enrichment unit 10 is supplied with source hydrogen H3 adjusted to gas conditions of cryogenic temperature and normal pressure by the source hydrogen adjusting unit 20 (see FIGS. 1 and 2). The deuterium concentration unit separates and concentrates deuterium from raw material hydrogen by a gas phase adsorption method. This gas phase adsorption method will be briefly described.
[0040]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the principle of separation of deuterium by the vapor phase adsorption method. The gas phase adsorption method uses molecules with different masses (H ₂ , HD) is a method for separating molecules having different masses by utilizing the difference in equilibrium adsorption (isotope effect). For example, a specific molecule is adsorbed or not adsorbed on an adsorbent such as zeolite to separate it from other molecules. In the present invention, a vapor phase adsorption method is used for separating and concentrating deuterium from atmospheric hydrogen containing deuterium. First, as shown in FIG. 3A, a gas of normal pressure hydrogen containing deuterium is brought into contact with the adsorbent 11. Here, the source hydrogen gas is H ₂ And HD combined with deuterium (D).
[0041]
When such raw hydrogen gas comes into contact with the adsorbent 11, the HD combined with deuterium D is selectively adsorbed on the adsorbent 11 and H ₂ Is recovered without being adsorbed. When sufficient HD is adsorbed on the adsorbent 11, the adsorbed HD is recovered. As shown in FIG. 3 (b), in the recovery of HD, the adsorbent 11 is moved to atmospheric pressure P. _s Pressure P lower than (atmospheric pressure) _l By placing it underneath, the adsorbed HD can be recovered.
[0042]
In the hydrogen isotope separation by the gas phase adsorption method, it is preferable to perform the above separation operation in a low temperature region in which the hydrogen isotope effect is remarkable. This is because, under such a temperature environment, the deuterium separation efficiency is improved, so that more deuterium can be separated and concentrated when the same energy is input. Specifically, the isotope effect becomes significant at the LNG temperature and the liquid nitrogen temperature. Therefore, as described above, after the raw hydrogen is cooled to −140 ° C. or lower by LNG, the high-pressure raw hydrogen is decompressed to cool the raw hydrogen to −190 ° C. or lower, and the deuterium concentration unit 10 (FIG. 1). Thus, if the source hydrogen is cooled to −190 ° C. or lower, the isotope effect becomes larger than that obtained by simply cooling the source hydrogen to about −140 ° C. with LNG, so that the deuterium separation efficiency is improved. As a result, deuterium can be efficiently produced, and as a result, energy consumption during the production of deuterium is also reduced.
[0043]
Similarly, the adsorbent 11 provided in the deuterium enrichment unit 10 is also cooled to the LNG temperature or the liquid nitrogen temperature to operate the deuterium enrichment unit 10. In the deuterium production apparatus 1 of the present invention, as shown in FIG. 1, the second LNG supply pipe 60L ₂ LNG of −140 ° C. or lower is supplied from the LNG supply facility 120 to the deuterium concentration unit 10 via As a result, the adsorbent 11 provided in the deuterium concentration unit 10 is cooled to maintain the deuterium adsorption reaction in a cryogenic environment, thereby improving the deuterium separation efficiency.
[0044]
4 and 5 are explanatory views showing the cooling structure of the adsorption unit provided in the deuterium enrichment unit according to the present invention. In the structure shown in FIG. 4, the HD separation adsorption unit 12 or the deuterium purification adsorption unit 16 is disposed in the cold box 18. Then, LNG is supplied to the cold box 18 to directly cool the HD separation adsorption unit 12 and the like. The LNG supplied to the cold box 18 is vaporized or subjected to sensible heat exchange and returned to the LNG supply facility 120 (see FIG. 1). This cooling structure is suitable when the volume of the adsorption unit is relatively small, such as the adsorption unit 16 for deuterium purification in the final stage. In this configuration, the valve 61 _Four 61 _Five Open the valve 61 ₁ 61 _Three Is closed, the raw material hydrogen is supplied to the HD separation adsorption unit 12 and the like by the blower 64, and the HD and the like are adsorbed on the adsorbent. Next, the valve 61 _Four 61 _Five Close the valve 61 ₁ 61 _Three And the vacuum pump 66 is operated to guide the adsorbed HD or the like to the buffer tank 68.
[0045]
In the cooling structure shown in FIG. 5, LNG 1 is drawn into the adsorption tower 19, and the HD separation adsorption unit 12 is cooled by the heat exchanger 17 provided in the HD separation adsorption unit 12 or the deuterium purification adsorption unit 16. . The heat exchanger 17 has a structure in which the LNG 1 is allowed to flow through a plurality of thin tubes, and cools the atmosphere outside the thin tubes. The LNG supplied to the heat exchanger 17 of the adsorption tower 19 undergoes vaporization or sensible heat exchange and is returned to the LNG supply facility 120 (see FIG. 1). This cooling structure is suitable when the volume of the adsorption part is large, such as the HD separation adsorption part 12.
[0046]
Here, returning to FIG. The deuterium concentrated in the deuterium concentration unit 10 is sent to and stored in the deuterium storage facility 40, and is shipped after being packed, for example. The raw hydrogen after the deuterium is separated is returned to the third hydrogen pipe 62 as return hydrogen. _Three To the raw material hydrogen adjustment unit 20. And as above-mentioned, after adjusting to the normal temperature and high pressure gas conditions required in the hydrogen utilization equipment 110 here, the 4th hydrogen piping 62 _Four To the hydrogen utilization facility 110.
[0047]
The deuterium production plant 100 of the present invention is provided with a control unit 50 that monitors the operation status of each unit of the deuterium production apparatus 1 and the deuterium storage facility and manages these operation statuses. The control unit 50 measures the purity of the raw material hydrogen after being purified by the pretreatment unit 30. If the hydrogen purity is lower than the predetermined purity, the control unit 50 sets the valve 67. ₁ Close the valve 67 ₂ Open. Thereby, the hydrogen recovery flow path 62 _r Then, the purified raw material hydrogen is returned to the pretreatment unit 30 again, and the pretreatment unit is controlled so as to repeat the purification of the raw material hydrogen until it reaches a predetermined purity or higher. By doing in this way, the raw material hydrogen of the purity requested | required for the deuterium concentration by a gaseous-phase adsorption method can be stably supplied to the deuterium concentration unit 10. FIG.
[0048]
In addition, the control unit 50 monitors the operating status of the raw hydrogen adjusting unit 20 and the deuterium concentrating unit 10 and controls them to operate under predetermined gas conditions and operating conditions. Also, when an abnormality occurs, an alarm is sent and received from these to stop these operations or activate the safety device. Furthermore, when deuterium is stored in the deuterium storage facility 40 at a specified pressure or higher, it also has a function of issuing an alarm. Furthermore, since hydrogen and LNG handled by the deuterium production apparatus 1 and the deuterium production plant 100 are flammable, they have a safety function of detecting these leaks and issuing an alarm or stopping the operation as necessary. Thereby, the deuterium production apparatus 1 and the deuterium production plant 100 that handle highly flammable hydrogen and LNG can be operated safely and smoothly.
[0049]
The various functions described above are realized by the control unit 50. Specifically, for example, a control table in which processing procedures for realizing the above functions are described is stored in advance in the storage unit 50m of the control unit 50, and the processing unit 50c reads this table as necessary. The above functions can be realized. The processing unit 50c may be realized by dedicated hardware, and the processing unit 50c is configured by a memory and a CPU (Central Processing Unit), and functions of the processing unit 50c. The program may be realized by loading a program (not shown) for implementation into a memory and executing the program. In addition, the storage unit 50m is a non-volatile memory such as a hard disk device, a magneto-optical disk device or a flash memory, a readable storage medium such as a CD-ROM, or a RAM (Random Access Memory). Such a volatile memory or a combination thereof can be used.
[0050]
As described above, in the deuterium production apparatus 1, the deuterium production method, and the deuterium production plant according to the present invention, the raw hydrogen is cooled in two stages of cooling by LNG and decompression of the raw hydrogen after cooling. Thus, by combining the reduced pressure of the raw material hydrogen, the raw material hydrogen can be easily adjusted to gas conditions of cryogenic temperature and normal pressure, compared with the case of cooling by LNG alone. Moreover, since it cools by decompression of raw material hydrogen, it is not necessary to prepare the special apparatus and cooling source for cooling, and the energy required for cooling can be reduced. Furthermore, the expansion energy can be reduced and the overall energy consumption of the deuterium production apparatus 1 according to the present invention can be reduced by using the expansion turbine 24 in the decompression of the raw hydrogen to recover and utilize the expansion energy. it can.
[0051]
Further, since the raw hydrogen is cooled by receiving the supply of LNG as a cold source from the LNG supply facility 120 (see FIG. 1) for supplying LNG to the gas utilization source, a conventional refrigerator is not required. Thereby, since raw material hydrogen can be cooled only with the carrier energy of LNG, refrigerator drive energy becomes unnecessary and the energy required for cooling raw material hydrogen can be reduced significantly. Further, since an existing LNG supply facility is used, it is not necessary to separately obtain a cold source such as liquid nitrogen as necessary, and it is not necessary to newly install a facility for manufacturing the cold source. Thereby, the manufacturing cost of the deuterium production apparatus 1 or the deuterium production plant 100 can be significantly reduced. In addition, since there is no need to obtain or manufacture a cold source such as liquid nitrogen, the operating cost of the deuterium production apparatus 1 and the deuterium production plant 100 and the production cost of deuterium are compared with the case where a separate cold source is prepared. Can be greatly reduced.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, in the deuterium production apparatus according to the present invention, not only liquefied natural gas but also reduced pressure of raw hydrogen is combined to cool raw hydrogen to gas conditions of cryogenic temperature and normal pressure. Thereby, raw material hydrogen can be easily adjusted to the gas conditions of cryogenic temperature and a normal pressure rather than the case where it cools by liquefied natural gas alone. Moreover, since it cools by decompression of raw material hydrogen, it is not necessary to prepare a special apparatus for cooling and a cold source, and it is possible to reduce energy consumption and production cost required for deuterium production.
[0053]
In the deuterium production apparatus according to the present invention, the raw hydrogen is cooled to −190 ° C. or lower when the raw hydrogen after LNG cooling is decompressed. As a result, the isotope effect is enhanced, so that the deuterium separation efficiency is improved, so that the energy consumption during the deuterium production can be reduced.
[0054]
Further, in the next deuterium production apparatus according to the present invention, deuterium is separated and concentrated after removing impurities such as methane contained in the source hydrogen by the source hydrogen purification means. Thereby, the raw material hydrogen of the purity requested | required for the deuterium concentration by a vapor phase adsorption method can be supplied stably. In addition, by raising the cryogenic and normal pressure raw hydrogen after separating the deuterium, the hydrogen can be adjusted to a temperature and pressure conditions suitable for the facility using the hydrogen after the deuterium separation.
[0055]
Further, in the next deuterium production apparatus according to the present invention, the expansion energy at the time of decompressing the raw material hydrogen is recovered and used for driving the hydrogen boosting means. Thereby, the total energy consumption of the whole deuterium production apparatus can be reduced, and the cost required for deuterium production can be reduced.
[0056]
Further, in the next deuterium production method according to the present invention, the cooling of the raw material hydrogen by LNG and the cooling by the reduced pressure of the raw material hydrogen are combined. Thereby, raw material hydrogen can be easily adjusted to the gas conditions of cryogenic temperature and a normal pressure rather than the case where it cools by liquefied natural gas alone. Moreover, since it cools by pressure reduction of raw material hydrogen, the energy required for cooling can be reduced and the energy consumption required for deuterium production can be reduced.
[0057]
Further, in the deuterium production method according to the present invention, since deuterium is separated and concentrated after removing impurities such as methane contained in the raw hydrogen, it is required for deuterium concentration by the vapor phase adsorption method. High purity raw material hydrogen can be stably supplied. In addition, since the raw hydrogen at a cryogenic temperature / normal pressure after deuterium separation / concentration is increased, hydrogen can be adjusted to temperature and pressure conditions suitable for facilities using hydrogen after deuterium separation.
[0058]
Further, in the next deuterium production method according to the present invention, when the purity of the raw material hydrogen after the purification is lower than the predetermined purity, the raw material hydrogen purification step is repeated until the raw hydrogen becomes equal to or higher than the predetermined hydrogen purity. Therefore, raw material hydrogen having a purity required for deuterium concentration by the gas phase adsorption method can be supplied more stably.
[0059]
Moreover, in the following deuterium production plant which concerns on this invention, it was made to provide the said deuterium production apparatus. Thereby, since raw material hydrogen is cooled combining cooling by LNG and cooling by decompression of raw material hydrogen, the energy required for cooling can be reduced. Thereby, the energy consumption and manufacturing cost which are required for deuterium production can be reduced.
[0060]
In the deuterium production plant according to the present invention, hydrogen used in the hydrogen utilization facility is utilized as raw material hydrogen, so that the deuterium raw material cost can be reduced. In addition, since the supply of liquefied natural gas is received as a cold material from the natural gas supply facility, the raw material hydrogen can be cooled only by the carrier energy of LNG. As a result, the drive energy for the refrigerator is no longer necessary, the energy required for cooling the raw hydrogen can be greatly reduced, and the production cost of deuterium can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a deuterium production plant including a deuterium production apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration of a raw material hydrogen adjustment unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the principle of separation of deuterium by a vapor phase adsorption method.
FIG. 4 is an explanatory view showing a cooling structure of an adsorption unit provided in the deuterium concentration unit according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a cooling structure of the adsorption unit provided in the deuterium enrichment unit according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Deuterium production equipment
10 Deuterium concentration unit
11 Adsorbent
12, 12 ₁ , 12 ₂ , 12 _Three Adsorption part for HD separation
14 Isotope equilibrator
16 Adsorption section for deuterium purification
17 Heat exchanger
18 Cold box
19 Adsorption tower
20 Raw material hydrogen adjustment unit
22 LNG heat exchanger
24 Expansion turbine
30 Pretreatment unit
40 Deuterium storage facility
100 Deuterium production plant
110 Hydrogen utilization facilities
120 LNG supply equipment

Claims

First cooling means for cooling raw hydrogen containing deuterium with liquefied natural gas; and second cooling means for further cooling the raw hydrogen by reducing the pressure of the raw hydrogen cooled by the first cooling means. Raw material hydrogen adjustment means,
Deuterium concentration means for concentrating deuterium from the raw hydrogen cooled by the second cooling means by vapor phase adsorption;
An apparatus for producing deuterium, comprising:

The said 1st cooling means cools the said raw material hydrogen using liquefied natural gas below -140 degreeC, and the said 2nd cooling means cools the said raw material hydrogen to -190 degrees C or less. The deuterium production apparatus described.

Raw material hydrogen purification means for removing impurities from the raw hydrogen and supplying the raw material hydrogen adjusting means,
Hydrogen boosting means for boosting the source hydrogen after separating deuterium;
The deuterium production apparatus according to claim 1 or 2, further comprising:

4. The deuterium production apparatus according to claim 3, wherein the hydrogen pressurizing means is driven by expansion energy when the raw hydrogen is depressurized.

A first cooling step of cooling raw hydrogen containing deuterium with liquefied natural gas;
A second cooling step of further cooling the raw hydrogen by depressurizing the raw hydrogen cooled in the first hydrogen cooling step ;
A deuterium concentration step for separating deuterium from the raw material hydrogen cooled in the second cooling step by vapor phase adsorption,
A method for producing deuterium, comprising:

A raw material hydrogen purification step for removing impurities from the raw hydrogen before the first cooling step;
A step of boosting the raw hydrogen after separating the deuterium;
The method for producing deuterium according to claim 5, comprising:

The method for producing deuterium according to claim 6, wherein when the purity of the raw material hydrogen is lower than a predetermined value, the raw hydrogen purification step is repeated until the purity of the raw material hydrogen becomes equal to or higher than a predetermined value.

The deuterium production apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A deuterium storage facility for storing deuterium produced by the deuterium production apparatus and supplying the deuterium to a deuterium utilization target as required;
A deuterium production plant characterized by comprising:

Hydrogen supply equipment that supplies raw hydrogen to the deuterium production apparatus and uses raw hydrogen from which deuterium has been separated;
A natural gas supply facility for supplying liquefied natural gas to the deuterium production apparatus and receiving from the deuterium production apparatus natural gas that has become liquid or gas whose temperature has been raised by cooling raw material hydrogen;
Control means for controlling the deuterium production apparatus to predetermined operating conditions;
The deuterium production plant according to claim 8, comprising: