JP5353198B2 - Hydrate production method and apparatus using heat storage tank - Google Patents
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Description
本発明は、蓄熱槽内で、液体のゲスト物質とホスト物質としての水で包接水和物を生成する蓄熱槽を用いた水和物生成方法及び装置に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrate generation method and apparatus using a heat storage tank that generates clathrate hydrate with a liquid guest substance and water as a host substance in the heat storage tank.
一般的な水和物はメタンハイドレートなどが知られているが、ゲスト物質がメタンガスであり、メタンの貯蔵用としてはよいが、水和物を繰り返し、生成・分解して使用する蓄熱、冷熱媒体としては、その水和物生成の圧力、温度条件が蓄熱用途に合致しない。 Methane hydrate is known as a general hydrate, but the guest substance is methane gas, which may be used for methane storage. However, it can be used for storage of methane. As a medium, the pressure and temperature conditions for producing the hydrate do not match the heat storage application.
蓄冷材として、冷水や氷の代わりにスラリ状の水和物を用いる例としては、特許文献1、2で、テトラn−ブチルアンモニウム塩(TBAB)水溶液を用い、これを冷却することで、5〜8℃で液体からスラリ状の水和物とすることで、蓄冷材とすることが提案されている。
As an example of using a slurry-like hydrate instead of cold water or ice as a cold storage material, in
しかし、TBABは、水に可溶の白色結晶粉末であり、濃度20%以上のTBAB水溶液として使用するが、水和物としては分解熱が小さいという問題がある。 However, TBAB is a white crystalline powder that is soluble in water, and is used as a TBAB aqueous solution having a concentration of 20% or more. However, as a hydrate, there is a problem that heat of decomposition is small.
本発明者は、ゲスト物質に環状炭化水素を用い、このゲスト物質と水とで水和物を製造すること、より具体的には、シクロペンタンからなる液状のゲスト物質とホスト物質である水との界面を直接冷却して水和物を生成する方法(特願2007−129563号)、またシクロペンタンからなる液状のゲスト物質と水とを界面活性剤で乳化させて分散液とし、これを冷却することで水和物を生成する方法(特願2007−129553号)を提案した。 The present inventor uses a cyclic hydrocarbon as a guest material, and produces a hydrate with the guest material and water, more specifically, a liquid guest material composed of cyclopentane and water as a host material. A method of directly cooling the interface of the solution to form a hydrate (Japanese Patent Application No. 2007-129563), and emulsifying a liquid guest substance composed of cyclopentane and water with a surfactant to form a dispersion, which is cooled Thus, a method for producing a hydrate (Japanese Patent Application No. 2007-129553) was proposed.
この水和物は、ホストである水とゲスト物質である液体とを接触させて冷却することで、水分子によって構成された包接格子内にゲストが包み込まれて結晶化し水和物を生成するもので、ゲスト物質である炭化水素の液体を適宜選択することで、生成温度が0℃以上からマイナス数10℃まで、幅広い生成温度が得られ、また分解後は、ホストもゲストも液体のため圧損もなく、使用目的に合わせた蓄熱、冷熱源とすることが可能とすることができるものである。 The hydrate is cooled by contacting water as a host and a liquid as a guest material, and the guest is encapsulated in an inclusion lattice constituted by water molecules to crystallize to form a hydrate. However, by appropriately selecting the hydrocarbon liquid of the guest material, a wide range of generation temperatures can be obtained from 0 ° C or higher to minus several tens of ° C. After decomposition, both the host and guest are liquid. There is no pressure loss, and it is possible to make it possible to provide a heat storage and cold heat source suitable for the purpose of use.
一般に水和物は過冷却特性を持ち、水と同じように過冷却を解除するか、種晶と接触させないと水和物が生成しない。 In general, hydrates have supercooling properties, and hydrates do not form unless supercooling is released or contacted with seed crystals in the same manner as water.
シクロペンタンとをゲスト物質とする場合には、図5に示すように水の過冷却を解除して氷を生成し、これを種晶として水和物が成長するか、図6に示すように水和物の種晶を添加することで水和物が成長する。 When cyclopentane is used as a guest substance, as shown in FIG. 5, the supercooling of water is canceled to generate ice, and hydrates grow using this as seed crystals, or as shown in FIG. Hydrate grows by adding seed crystals of hydrate.
しかしながら、水の過冷却を解除するためには−6℃程度の低温が必要であり、水和物生成に必要な温度より遙かに低い温度を造る冷熱源動力が無駄になる。また種晶を添加する場合には、蓄熱槽内で蓄熱材を充填する容器がカプセルのように無数にある場合には実質不可能になる。 However, in order to cancel the supercooling of water, a low temperature of about −6 ° C. is necessary, and the power of the cooling heat source that makes a temperature much lower than the temperature necessary for hydrate formation is wasted. Further, when seed crystals are added, it becomes virtually impossible when there are an infinite number of containers filled with the heat storage material in the heat storage tank, such as capsules.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、液体のゲスト物質とホスト物質としての水とで水和物を生成する際に、メインの冷熱源温度を調節したり、種晶を物理的に投入したりすることなく低動力で安定的に水和物を生成できる蓄熱槽を用いた水和物生成方法及び装置を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to adjust the main cold source temperature or to physically convert the seed crystal when producing a hydrate with a liquid guest substance and water as a host substance. It is an object to provide a hydrate generation method and apparatus using a heat storage tank that can stably generate hydrates with low power without being charged into the tank.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、液体のゲスト物質とホスト物質である水とを蓄熱体内に収容し、その蓄熱体を、蓄熱槽内に収容し、その蓄熱槽に冷媒を充填すると共にその冷媒をメイン冷却機で冷却して、蓄熱体内のゲスト物質と水にて包接水和物を生成する際に、前記蓄熱体を、上部ヘッダー管と下部ヘッダー管間に伝熱管を接続した多管集合管で構成し、その蓄熱体の上部ヘッダー管に過冷却部を設け、前記蓄熱体を、前記冷媒にて包接水和物の生成温度に対して、−2℃程度低い温度に過冷却し、前記過冷却部で、液体のゲスト物質と水を、前記冷媒の温度より低い温度に過冷却にして包接水和物の種を形成し、その種を基に、上部ヘッダー管から下部ヘッダー管へ水和物生成を伝播させて包接水和物を生成することを特徴とする蓄熱槽を用いた水和物生成方法である。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention of
請求項2の発明は、液体のゲスト物質と水に界面活性剤を混入して分散液とし、この分散液を蓄熱体内に収容する請求項1記載の蓄熱槽を用いた水和物生成方法である。
The invention of
請求項3の発明は、前記蓄熱体の上部ヘッダー管内のゲスト物質と水を、前記過冷却部に循環させるようにした請求項1又は2記載の蓄熱槽を用いた水和物生成方法である。
Invention of
請求項4の発明は、過冷却部が、冷媒の流れる冷却コイル或いは熱電素子からなる請求項1〜3のいずれかに記載の蓄熱槽を用いた水和物生成方法である。 Invention of Claim 4 is a hydrate production | generation method using the thermal storage tank in any one of Claims 1-3 in which a supercooling part consists of a cooling coil or a thermoelectric element with which a refrigerant | coolant flows.
請求項5の発明は、液体のゲスト物質とホスト物質である水とを蓄熱体内に収容し、その蓄熱体を、蓄熱槽内に収容し、その蓄熱槽に冷媒を充填すると共にその冷媒をメイン冷却機で冷却して、蓄熱体内のゲスト物質と水にて包接水和物を生成する蓄熱槽を用いた水和物生成装置において、前記蓄熱体を、上部ヘッダー管と下部ヘッダー管間に伝熱管を接続した多管集合管で構成し、前記蓄熱槽に、前記冷媒にて、前記包接水和物の生成温度に対して、−2℃程度低い温度に前記蓄熱体を、過冷却するメイン冷凍機を設け、その蓄熱体の上部ヘッダー管に、前記冷媒の温度より低い温度に過冷却して包接水和物の種を形成する過冷却部を設けたことを特徴とする蓄熱槽を用いた水和物生成装置である。 According to the fifth aspect of the present invention, a liquid guest substance and water as a host substance are accommodated in a heat accumulator, the heat accumulator is accommodated in a heat accumulator, the refrigerant is filled in the heat accumulator, and the refrigerant is mainly used. In a hydrate generating apparatus using a heat storage tank that cools with a cooler and generates a clathrate hydrate with a guest substance and water in the heat storage body, the heat storage body is placed between the upper header pipe and the lower header pipe. It is composed of a multi-tube collecting pipe connected with a heat transfer pipe, and the refrigerant is supercooled in the heat storage tank at a temperature lower by about −2 ° C. than the generation temperature of the clathrate hydrate by the refrigerant. A main refrigerating machine, and a supercooling section that forms a seed of clathrate hydrate by supercooling to a temperature lower than the temperature of the refrigerant in an upper header pipe of the heat storage body It is a hydrate production | generation apparatus using a tank .
請求項6の発明は、前記上部ヘッダー管に、その上部ヘッダー管内の液体のゲスト物質と水を、前記過冷却部に循環させる循環ラインを接続した請求項5記載の蓄熱槽を用いた水和物生成装置である。
Hydration invention of
請求項7の発明は、過冷却部が、冷媒の流れる冷却コイル或いは熱電素子からなる請求項5又は6記載の蓄熱槽を用いた水和物生成装置である。
The invention according to
本発明によれば、液体のゲスト物質とホスト物質である水とを蓄熱体内に収容し、蓄熱体に設けた過冷却部で、液体のゲスト物質と水を過冷却にして包接水和物の種を形成することで、静止型で、しかも包接水和物生成温度近くで包接水和物を生成することができるという優れた効果を発揮するものである。 According to the present invention, the liquid guest material and the host material water are accommodated in the heat storage body, and the clathrate hydrate is obtained by supercooling the liquid guest material and water in the supercooling section provided in the heat storage body. By forming the seeds, the clathrate hydrate can be produced at a static type and near the clathrate hydrate production temperature.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の蓄熱槽を用いた水和物生成装置を示したものである。 FIG. 1 shows a hydrate generator using the heat storage tank of the present invention.
図1において、蓄熱槽10内には、液体のゲスト物質とホスト物質である水とが収容される蓄熱体11が設けられる。
In FIG. 1, a
蓄熱槽10内には、蓄熱体11を冷却或いは冷熱を回収するための冷媒12が充填され、その冷媒12がメイン冷凍機13にて冷却されるようになっている。また蓄熱体11から冷媒12に回収された冷熱は、図示していないが槽内に設置した伝熱コイルまたは槽外に設置した熱交換器を介して冷熱利用系に供給されるようになっている。
The
蓄熱体11は、図示のように上部ヘッダー管15と下部ヘッダー管16間に伝熱管17が接続された多管集合管で構成される。
The
図2は、多管集合管からなる蓄熱体11の斜視図を示したもので、蓄熱槽10の大きさに合わせて上下のヘッダー管15,16が複数設けられると共に伝熱管17が接続され、さらに各ヘッダー15,16が連結管19で連結されて多管集合管からなる蓄熱体11が構成される。
FIG. 2 is a perspective view of the
この蓄熱体11には、例えば多管集合管の上部ヘッダー管15には、過冷却部18が設けられ、その過冷却部18がサブ冷凍機20で制御されるようになっている。
In the
この過冷却部18は、図4(a)に示すように冷媒が流れる冷却コイル18aや、図4(b)に示すようにペルチェ素子などの熱電素子18bで構成される。熱電素子18bで構成した場合は、サブ冷凍機20は不要で、その代わりに電源に接続される。
The
過冷却部18は、液体のゲスト物質とホスト物質である水とを、確実に包接水和物を生成する温度にまで冷却するものである。
The
本発明に用いるゲスト物質としては、シクロペンタンなどの環状炭化水素、ペンタンなどの直鎖炭化水素がある。シクロペンタン(C5H10)の場合には大気圧下、約7℃の生成温度で水和物を生成するが、実際に水和物を生成するには、生成温度に対して−2℃以上冷却することで水和物が生成される。 Examples of guest substances used in the present invention include cyclic hydrocarbons such as cyclopentane and linear hydrocarbons such as pentane. In the case of cyclopentane (C 5 H 10 ), a hydrate is produced at a production temperature of about 7 ° C. under atmospheric pressure, but in order to actually produce a hydrate, −2 ° C. with respect to the production temperature. Hydrate is produced | generated by cooling above.
ゲスト物質と水との組成比は、水和物構造によって決定されるが、シクロペンタンの場合には、シクロペンタン:水がモル比で1:17(体積比で1:3.3、重量比で1:4.4)が完全な包接水和物生成比率なので、これよりもシクロペンタンが少ない比率であれば、包接水和物生成が完了した際に余分なゲスト物質が存在しない。少なすぎると包接水和物含有率が小さいことから蓄熱密度の性能が悪くなるので、1:17からこれの3倍希釈程度を組成範囲とする。 The composition ratio of the guest substance and water is determined by the hydrate structure. In the case of cyclopentane, cyclopentane: water has a molar ratio of 1:17 (volume ratio of 1: 3.3, weight ratio). 1: 4.4) is a complete clathrate hydrate formation ratio, so if the ratio of cyclopentane is less than this, there is no extra guest substance when clathrate hydrate formation is completed. If the amount is too small, the clathrate hydrate content is small and the performance of the heat storage density deteriorates. Therefore, the composition range is from 1:17 to about 3-fold dilution thereof.
また、このゲスト物質と水に界面活性剤を5wt%程度混入し、これを撹拌して乳化させた分散液とするようにしてもよい。 Further, about 5 wt% of a surfactant may be mixed in the guest substance and water, and this may be stirred to obtain a dispersion.
次に、この集合管式蓄熱槽を用いた水和物生成方法を説明する。 Next, the hydrate production | generation method using this collecting pipe type thermal storage tank is demonstrated.
蓄熱体11内の液体のゲスト物質とホスト物質である水との包接水和物を生成する際には、メイン冷凍機13に、蓄熱槽10内の冷媒12を導入して冷却し、これを蓄熱槽10に循環する。
When the clathrate hydrate of the liquid guest material in the
これにより、蓄熱体11内の液体のゲスト物質とホスト物質である水は、その包接水和物生成温度に対して若干低い温度まで冷却され、過冷却状態にされる。
As a result, the liquid guest material and water as the host material in the
この過冷却状態まで蓄熱体11内の液体のゲスト物質とホスト物質である水を冷却した後、過冷却部18にて、液体のゲスト物質とホスト物質である水を更に冷却することで、過冷却部18の周囲に包接水和物の種が形成される。このように種が形成されることで、過冷却状態に冷却された液体のゲスト物質と水とは種を基に水和物生成が伝播して全体に水和物とすることが可能となる。
After cooling the liquid guest material and the water that is the host material in the
上述したように、ゲスト物質として、シクロペンタンを用いて包接水和物を生成する場合には、その水和物の生成温度が約7℃であり、蓄熱体11を7℃よりやや低い5〜3℃の温度に冷却しておく、この状態で、シクロペンタンと水とは生成温度(約7℃)に対して過冷却の液状態に保たれている。
As described above, when a clathrate hydrate is produced using cyclopentane as a guest substance, the production temperature of the hydrate is about 7 ° C., and the
この状態で、サブ冷凍機20をONとし、過冷却部18で、その周辺の過冷却の液を、−6℃近くまで冷却することで、過冷却水が氷になり、この氷を種として包接水和物の種が形成され、その種を基に水和物生成が伝播して蓄熱体11内の液体のゲスト物質とホスト物質である水との包接水和物が生成される。
In this state, the
包接水和物の生成により、過冷却が解除されて包接水和物の生成温度まで上昇するため、サブ冷凍機20をOFFとし、その後、メイン冷凍機13で包接水和物の生成を継続することができる。サブ冷凍機20をONするタイミングは、蓄熱体11内の全ての物質を包接水和物生成温度に過冷却させる動作が完了する前からでもよい。
Due to the generation of the clathrate hydrate, the supercooling is released and the clathrate hydrate is raised to the production temperature, so the
このように、本発明は、液体をゲスト物質とする包接水和物の製造において、蓄熱槽10内の蓄熱体11に液体のゲスト物質とホスト物質としての水を収容し、蓄熱槽10内の冷媒12を冷却するだけで、静止型で包接水和物を生成することが可能となる。
As described above, in the production of clathrate hydrate using a liquid as a guest material, the present invention accommodates the liquid guest material and water as a host material in the
また、包接水和物を生成した後は、蓄熱槽10内の冷媒12を冷熱利用系に移送して使用するようにしても、或いは蓄熱体11内の包接水和物を直接利用系に移送するようにしてもよい。
In addition, after the clathrate hydrate is generated, the refrigerant 12 in the
図3は、本発明の他の実施の形態を示したものである。 FIG. 3 shows another embodiment of the present invention.
この実施の形態においては、過冷却部18を設けた蓄熱体11を構成する多管集合管の上部ヘッダー管15に循環ライン22を接続すると共に循環ポンプ23を接続し、上部ヘッダー管15内の過冷却部18に、液体のゲスト物質と水とを繰り返し循環して包接水和物の生成を効率よく行えるようにしたものである。
In this embodiment, the
また、2点鎖線示すように上部ヘッダー管15と下部ヘッダー管16とを循環ライン24で接続し、全体に液体のゲスト物質と水とを循環して包接水和物を生成できるようにしたものである。
Further, as indicated by the two-dot chain line, the
この実施の形態において、液体のゲスト物質と水とが界面活性剤で分散された状態でなくても、液体のゲスト物質と水とが二層に分離している場合でも循環させることで、包接水和物の生成を効率よく行うことができる。 In this embodiment, even if the liquid guest substance and water are not dispersed with the surfactant, the liquid guest substance and water are circulated even when they are separated into two layers, thereby enabling the packaging. It is possible to efficiently produce the wet hydrate.
10 蓄熱槽
11 蓄熱体
12 冷媒
13 メイン冷凍機
18 過冷却部
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