JP5614999B2 - Method and apparatus for producing ozone-containing hydrate - Google Patents
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Description
本発明は、高濃度のオゾンを含有したハイドレートの製造方法及びその装置に係り、特に、低圧、0℃以上でオゾンをハイドレート化できるオゾン含有ハイドレートの製造方法及びその装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for producing a hydrate containing high-concentration ozone, and more particularly, to a method and apparatus for producing an ozone-containing hydrate capable of hydrating ozone at a low pressure of 0 ° C. or higher. .
オゾンは、殺菌作用を有すると共に時間の経過と共に自己分解して酸素となるため、殺菌後は、塩素系殺菌剤のように有害物が残ることがないため、食品や容器の殺菌、室内の殺菌に広く使用されている。 Ozone has a bactericidal action and self-decomposes over time to become oxygen, so that no harmful substances remain like chlorinated bactericides after sterilization. Widely used.
このオゾンの利用形態としては、オゾンガス、オゾン水、オゾン氷など種々の形態で使用されるが、濃度は約20〜30ppmと低く、しかもオゾンの自己分解作用により長期の保存は困難である。 The ozone is used in various forms such as ozone gas, ozone water, ozone ice, etc., but the concentration is as low as about 20-30 ppm, and long-term storage is difficult due to the self-decomposing action of ozone.
オゾンの貯蔵方法として、特許文献1に示されるように、オゾンと水又は氷とを接触させながら所定の温度以下にすることによってオゾンを取り込んだ固体状物質を形成することが提案されている。 As a method for storing ozone, as disclosed in Patent Document 1, it has been proposed to form a solid substance incorporating ozone by bringing ozone and water or ice into contact with each other to a predetermined temperature or lower.
この特許文献1では、オゾンと水又は氷とを接触させる際の温度圧力条件は、270K(−3℃)以下、2MPa以上、特に248K(−25℃)以下、13MPa以上とすることで、オゾンを取り込んだ固体状物質を製造できることが開示されている。 In this Patent Document 1, the temperature and pressure conditions when ozone is brought into contact with water or ice are 270 K (−3 ° C.) or less, 2 MPa or more, particularly 248 K (−25 ° C.) or less, 13 MPa or more. It is disclosed that a solid substance incorporating sucrose can be produced.
しかしながら、特許文献1では、オゾンが水に包接された固体状物質を製造できるとしているが、水は大気圧下では0℃で凝固し、圧力を高くすれば凝固温度は下げることができるものの、13MPa以上で、−25℃以下の過冷却水で、オゾンと接触させてオゾンハイドレートとするのは、製造上からも困難であり、特許文献1では反応槽内に粉末状の氷を充填し、その反応槽内にオゾンガスを供給することで、オゾンガスが氷に包接されるとされ、現実には、オゾンハイドレートではなく、オゾンガス含有氷が製造されるものと考えられる。 However, Patent Document 1 describes that a solid substance in which ozone is included in water can be produced, but water solidifies at 0 ° C. under atmospheric pressure, and the solidification temperature can be lowered by increasing the pressure. It is difficult to make ozone hydrate by contacting with ozone with supercooled water of 13 MPa or more and −25 ° C. or less, and in Patent Document 1, powder ice is filled in the reaction vessel. However, by supplying ozone gas into the reaction tank, it is considered that the ozone gas is included in the ice, and in reality, it is considered that not the ozone hydrate but ice containing ozone gas is produced.
従って、このオゾン含有固体状物質は、氷の中にオゾンガスが閉じこめられたものであり、オゾン分子を包接したハイドレートと違って、貯蔵中にオゾンガスの自己分解は避けられない問題がある。 Therefore, this ozone-containing solid substance is a substance in which ozone gas is confined in ice, and unlike the hydrate enclosing ozone molecules, there is a problem that the self-decomposition of ozone gas cannot be avoided during storage.
オゾンハイドレートを生成するには、オゾン水を反応槽内に封入し、その反応槽を高圧にした状態で冷却すればオゾンハイドレートとすることができるが、バッチ式であり、連続してオゾンハイドレートを製造することはできない問題があると共に、反応槽で生成したオゾンハイドレートを他の容器に移し替える際には、圧力と温度を維持したまま移し替えることも困難である。 To produce ozone hydrate, ozone water can be made by enclosing ozone water in a reaction tank and cooling the reaction tank at a high pressure. There is a problem that hydrate cannot be produced, and it is also difficult to transfer ozone hydrate produced in the reaction vessel while maintaining the pressure and temperature when transferring it to another container.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、オゾンハイドレートを低圧でしかも氷点下近くで連続的に製造できると共に簡単に貯蔵可能なオゾン含有ハイドレートの製造方法及びその装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a method and apparatus for producing an ozone-containing hydrate that can be continuously produced at low pressure and near freezing and that can be stored easily. is there.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、ハイドレート生成器内に冷却水を貯留すると共に上記ハイドレート生成器内に気泡発生器を設け、上記ハイドレート生成器内の圧力を2.5〜3MPaに保ち、他方ゲストガスとしてのオゾンガスに、キセノン又は炭酸ガスを添加して混合ガスとし、その混合ガスを前記気泡発生器からマイクロバブルで吹き込むと共に、冷却水に吹き込むゲストガス量が、水1000質量部に対して100〜400質量部となるように吹き込み、前記気泡発生器の上部でオゾン含有ハイドレートを生成し、この生成したオゾン含有ハイドレートを比重差でハイドレート生成器の底部に降下させ、反応熱を吸収した未反応の温度が高く比重の重い冷却水を前記気泡発生器の下方中央に位置した冷却水導入部から吸引すると共にこれを0℃以下の冷却水として、前記冷却水導入部の上方でかつ前記気泡発生器より下方の前記ハイドレート生成器内に噴射循環することを特徴とするオゾン含有ハイドレートの製造方法である。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, cooling water is stored in a hydrate generator, a bubble generator is provided in the hydrate generator, and the pressure in the hydrate generator is set to 2. While maintaining at 5 to 3 MPa, ozone gas as guest gas, xenon or carbon dioxide gas is added to form a mixed gas, and the mixed gas is blown with microbubbles from the bubble generator, and the amount of guest gas blown into the cooling water is It blows so that it may become 100-400 mass parts with respect to 1000 mass parts of water, The ozone containing hydrate is produced | generated in the upper part of the said bubble generator, This produced | generated ozone containing hydrate is the bottom part of a hydrate generator by specific gravity difference The cooling water having a high unreacted temperature and high specific gravity, which has absorbed the heat of reaction, is sucked from the cooling water introduction portion located at the lower center of the bubble generator. This 0 ℃ as the following cooling water, a manufacturing method of the cooling water inlet of the upper and and said bubble generator from ozone-containing hydrate, characterized by injecting circulating in said hydrate generator below while It is.
請求項2の発明は、上記ハイドレート生成器の下部にハイドレート収納容器を接続し、上記ハイドレート生成器内で生成され底部に溜まったオゾン含有ハイドレートを、上記ハイドレート収納容器に流下させて貯蔵する請求項1記載のオゾン含有ハイドレートの製造方法である。 According to a second aspect of the present invention , a hydrate storage container is connected to a lower portion of the hydrate generator, and the ozone-containing hydrate generated in the hydrate generator and accumulated at the bottom is caused to flow down to the hydrate storage container. The method for producing an ozone-containing hydrate according to claim 1, wherein the ozone-containing hydrate is stored .
請求項3の発明は、オゾンガスの質量に対して、炭酸ガス又はキセノンを10〜30倍混合して混合ガスとする請求項1又は2に記載のオゾン含有ハイドレートの製造方法である。 Invention of Claim 3 is a manufacturing method of the ozone containing hydrate of Claim 1 or 2 which mixes carbon dioxide gas or xenon 10-30 times with respect to the mass of ozone gas, and makes it a mixed gas.
請求項4の発明は、冷却水を貯留するハイドレート生成器と、そのハイドレート生成器内の冷却水中に設けられ、ゲストガスとしてのオゾンガスに、キセノン又は炭酸ガスを添加した混合ガスをマイクロバブルで冷却水中に吹き込むと共に、冷却水に吹き込むゲストガス量が、水1000質量部に対して100〜400質量部となるように吹き出す気泡発生器と、気泡発生器にオゾンガスとキセノン又は炭酸ガスとの混合ガスを供給するゲストガス供給ラインと、前記ハイドレート生成器の頂部に接続されたゲストガス排出ラインと、該ゲストガス排出ラインに接続され、ハイドレート生成器内の圧力を2.5〜3MPaに保つ気相圧力制御弁と、前記気泡発生器の下方中央に位置した冷却水導入部から吸引すると共にこれを0℃以下の冷却水として、前記冷却水導入部の上方でかつ前記気泡発生器より下方に位置して設けた噴射ノズルから噴射循環する冷却水循環ラインとを備えたことを特徴とするオゾン含有ハイドレートの製造装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a hydrate generator for storing cooling water, and a microbubble which is provided in cooling water in the hydrate generator and is a mixture gas obtained by adding xenon or carbon dioxide gas to ozone gas as a guest gas. And a bubble generator that is blown so that the amount of guest gas blown into the cooling water is 100 to 400 parts by mass with respect to 1000 parts by mass of water, and ozone gas and xenon or carbon dioxide gas in the bubble generator. 2.5 and guest gas supply line the mixed gas test sheet, and the guest gas discharge line connected to the top of the hydrate generator, connected to said guest gas discharge line, the pressure in the hydrate generator A gas phase pressure control valve maintained at 3 MPa and a cooling water inlet located at the lower center of the bubble generator and sucked from the cooling water at 0 ° C. or lower And a cooling water circulation line that circulates and circulates from an injection nozzle provided above the cooling water introduction part and below the bubble generator. .
請求項5の発明は、前記ハイドレート生成器の下部に、生成されたオゾン含有ハイドレートを導入して収納するハイドレート収納容器を接続した請求項4記載のオゾン含有ハイドレートの製造装置である。 The invention of claim 5 is the apparatus for producing ozone-containing hydrate according to claim 4, wherein a hydrate storage container for introducing and storing the generated ozone-containing hydrate is connected to the lower part of the hydrate generator. .
本発明によれば、オゾンハイドレートを生成する際にゲストガスとしてオゾンの他にキセノンや炭酸ガスを混合してハイドレート化することで、冷却水の温度が0℃近傍で、しかも圧力が3MPa以下でハイドレート化できると共にオゾン含有ハイドレートを連続的に生成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, when ozone hydrate is generated, xenon or carbon dioxide gas is mixed as a guest gas in addition to ozone to make hydrate, so that the temperature of the cooling water is around 0 ° C. and the pressure is 3 MPa. In the following, an excellent effect of being able to form a hydrate and continuously generate an ozone-containing hydrate is exhibited.
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において、10はハイドレート生成器で、外周が断熱カバー11で覆われて形成される。
In FIG. 1,
ハイドレート生成器10内には、リング状の気泡発生器12が設けられ、その下方に笠状の旋回防止板13が設けられる。
A ring-
ハイドレート生成器10内には、冷却水14が貯留され、その冷却水14が後述するが冷却水循環ライン15により循環されると共に冷却水14の温度が0℃近傍になるように制御される。
Cooling water 14 is stored in the
気泡発生器12には、オゾンガスとキセノン又は炭酸ガスを供給するゲストガス供給ライン16が接続される。ゲストガス供給ライン16は、オゾン生成器17が接続された酸素ガス供給ライン18と、オゾン生成器17の下流のオゾン含有酸素ライン19に接続されるキセノン又は炭酸ガスからなる混入ガス供給ライン20とからなる。
A guest
酸素ガス供給ライン18には、酸素ボンベなど酸素を高圧で貯蔵する酸素貯蔵容器21が接続され、その酸素貯蔵容器21の出口側の酸素ガス供給ライン18に酸素を所定圧(2.72MPa)で放出する放出弁(PCV−1)22が接続され、その下流側に酸素流量制御計(FIC−1)23、酸素流量調節弁24が接続される。
The oxygen
混入ガス供給ライン20には炭酸ガス又はキセノンガスボンベなど混入ガスを高圧で貯蔵する混入ガス貯蔵容器25が接続され、その混入ガス貯蔵容器25の出口側の混入ガス供給ライン20に混入ガスを所定圧(例えば、後述の原料成分の場合、2.7MPa)で放出する放出弁(PCV−2)26が接続され、その下流側に混入ガス流量制御計(FIC−2)27、混入ガス流量調節弁28が接続される。
The mixed
冷却水循環ライン15は、旋回防止板13の直下の冷却水を吸引する冷却水導入部30と、旋回防止板13の上部に対向して設けられ、図2に示すようにハイドレート生成器10の内面に冷却水を接線方向に噴射する冷却水噴射ノズル31a、31bとを有し、その冷却水循環ライン15に循環ポンプ33が接続され、導入部30と循環ポンプ33の吸込側の間に温度調節弁32が接続され、循環ポンプ33の吐出側から冷却水噴射ノズル31a、31bにかけて、冷却器34、冷却水流量計35、冷却水量調節弁36が接続されて構成される。
The cooling water circulation line 15 is provided opposite to the cooling
循環ポンプ33と冷却器34間の冷却水循環ライン15には、冷却水供給ライン38が接続される。冷却水供給ライン38には、給水ポンプ40が接続され、給水ポンプ40が補給水タンク41内の補給水を吸引し、補給水流量計42、給水流量調節弁(FCV−4)43を介して冷却水循環ライン15に補給水を供給するようになっている。補給水タンク41には、上水(補給水)が逆止弁44、ボールタップ45を介して常時所定液面となるように補給される。
A cooling
ハイドレート生成器10の下部には生成したオゾン含有ハイドレート47を排出する排出ライン48が接続され、その排出ライン48にそれぞれハイドレート導入開閉弁49a、49bを介してハイドレート収納容器50a、50bが接続される。ハイドレート収納容器50a、50bは、ハイドレート生成器10と同様に外周が断熱カバー11で断熱されている。
A
ハイドレート生成器10の頂部には、ゲストガス排出ライン51が接続され、その排出ライン51に気相圧力制御弁(PCV−4)52が接続されると共にその下流側にオゾン分解器53が接続される。
A guest gas discharge line 51 is connected to the top of the
ハイドレート生成器10の上部には、ゲストガス循環ライン54が接続され、ゲストガス循環ライン54にてハイドレート生成器10の気相部のゲストガスが、ゲストガス供給ライン16のオゾン生成器17の下流側に戻される。このゲストガス循環ライン54には、循環ガスブロワー55、循環ガス圧力制御弁56、オゾン再生器57が接続される。
A guest
ハイドレート収納容器50a、50bは、質量計51a、51b上に設けられ、収容するハイドレート質量が計測される。またハイドレート収納容器50a、50bには、ハイドレート収容時に収納容器50a、50b内のガスを開閉弁58a、58bを介して気相圧力制御弁52の下流側に排出するガス排出ライン59が接続される。
冷却水循環ライン15の冷却水を冷却する冷却器34は、冷凍サイクル60に組み込まれる。冷凍サイクル60は、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機61、圧縮された冷媒を冷却水で冷却する凝縮器62と、凝縮器62からの凝縮冷媒を貯留する凝縮冷媒レシーバ63と、レシーバ63からの冷媒を減圧する膨張弁(TCV−2)64と、減圧された冷媒を導入して冷却水循環ライン15の冷却水を冷却する蒸発器としての冷却器34と、冷却器34で蒸発した冷媒を貯留し、その蒸発ガスを冷媒圧縮機61に循環する吸入ドラム65とで構成される。
A cooler 34 for cooling the cooling water in the cooling water circulation line 15 is incorporated in the
冷却器34の下流側の冷却水循環ライン15には、循環水温度調節計66が接続され、その温度が所定温度となるように膨張弁64の弁開度が制御される。
A circulating
次に図1の制御系について説明する。 Next, the control system of FIG. 1 will be described.
酸素流量制御計23は、酸素ガス供給ライン18の酸素流量を検出し、所定流量となるように酸素流量調節弁24を制御し、また混入ガス流量制御計27は、混入ガス供給ライン20の混入ガス(炭酸ガス)流量を検出し、所定流量となるように混入ガス流量調節弁28を制御する。
The oxygen
酸素流量制御計23と混入ガス流量制御計27の検出値は、ゲストガス制御器70に入力され、そのゲストガス制御器70が、冷却水循環ライン15の冷却水流量計35にゲストガス量を出力し、冷却水流量計35が、ゲストガス量に見合った冷却水量となるように、冷却水量調節弁36を制御する。また、ハイドレート生成器10には、冷却水14の温度を検出する冷却水温度調節計71が設けられ、ゲストガス制御器70が、冷却水温度調節計71で検出された冷却水温が所定値となるように温度調節弁32を制御する。
The detected values of the
ハイドレート生成器10の下部には生成したオゾン含有ハイドレート47の液面を検出するハイドレート面計測器72が設けられ、そのハイドレート面計測器72で、ハイドレート導入開閉弁49a、49bの何れかを開とするように制御し、ハイドレート生成器10内のオゾン含有ハイドレート47の量が少なくなったときには、開放中のハイドレート導入開閉弁49a(又は49b)を閉じるように制御する。
A hydrate
質量計51a、51bは、ハイドレート収納容器50a、50bの質量を検出し、先ず何れか一方のハイドレート収納容器50a(又は50b)のハイドレート導入開閉弁49a(又は49b)を開くと共に開閉弁58a(又は58b)を開き、オゾン含有ハイドレート47をハイドレート収納容器50aに導入するよう制御し、そのオゾン含有ハイドレート47の導入量が所定質量となったときに、ハイドレート導入開閉弁49aと開閉弁58aを閉じると共に他方のハイドレート導入開閉弁49bと開閉弁58bを開いてハイドレート収納容器50aからハイドレート収納容器50bに切り替える。
The mass meters 51a and 51b detect the mass of the
ハイドレート生成器10の上部には冷却水液面計73が設けられ、その検出値が補給水制御器74に入力される。この補給水制御器74には、冷却水供給ライン38の補給水流量計42の流量値が入力され、これにより補給水制御器74が給水流量調節弁43を制御して、冷却水循環ライン15に補給する冷却水量を調節し、冷却水液面計73で検出された液面が一定となるように制御する。
A cooling
ハイドレート生成器10の頂部には、ハイドレート生成器10内の気相部の圧力を検出する気相圧力検出計75が接続され、その検出値が気相圧力制御器76に入力される。気相圧力制御器76は、気相部の圧力が設定値となるように、排気ライン51の気相圧力制御弁52と、ゲストガス循環ライン54の循環ガス圧力制御弁56を制御する。
A gas
さらに、ハイドレート生成器10の上部にはその気相部内のオゾン濃度を検出するオゾン分析計77が接続され、そのオゾン分析計77の検出オゾン濃度に応じて、オゾン再生器57を制御してオゾン再生量を調節する。
Further, an ozone analyzer 77 for detecting the ozone concentration in the gas phase portion is connected to the upper portion of the
次に図1に示した装置でオゾン含有ハイドレートを製造する方法を説明する。 Next, a method for producing an ozone-containing hydrate using the apparatus shown in FIG. 1 will be described.
先ず本発明は、単位容積当りのオゾン保存量を大量にするために、ハイドレート生成器10内でのハイドレート生成温度を0℃以上でハイドレートのみを製造するために、ゲストガスとしてのオゾンガスに、混入ゲストガスとして、キセノン(Xe)や炭酸ガス(CO2)を添加して、オゾン(O3)をハイドレート化するものである。
First, in order to increase the amount of ozone stored per unit volume in the present invention, ozone gas as a guest gas is used to produce only hydrate at a hydrate generation temperature of 0 ° C. or higher in the
ここで、混入ゲストガスとして炭酸ガスを使用した場合について説明する。 Here, a case where carbon dioxide gas is used as the mixed guest gas will be described.
先ずハイドレート生成器10にハイドレート生成に必要な冷却水14を貯留し、そのハイドレート生成器10内に、図2に示すように、冷却水循環ライン15の冷却水噴射ノズル31a、31bからハイドレート生成器10の円周壁に沿って冷却水を噴射してハイドレート生成器10内で冷却水14を旋回させる。
First, the cooling water 14 required for hydrate generation is stored in the
このハイドレート生成器10内を旋回している冷却水14に気泡発生器12から混合ガスをゲストガス供給ライン16を介してガスがマイクロバブルとして吹き出される。すなわち酸素ガス供給ライン18から酸素をオゾン生成器17を通しオゾン化してオゾン含有酸素ライン19から酸素とオゾンを、また混入ガス供給ライン20から炭酸ガスをオゾン含有酸素ライン19に供給し、その混合ガスをゲストガス供給ライン16を介して気泡発生器12からマイクロバブル状にして冷却水14中に吹き込む。
A gas mixture is blown out from the
バブルの径は反応速度を速くするために約230μm以下の気泡にして、旋回している冷却水14の中心寄りに分散するように噴射してハイドレート生成器10の内周壁に沿って下降するオゾン含有ハイドレート47との衝突を避けるようにする。
The bubble diameter is reduced to about 230 μm or less in order to increase the reaction speed, and is sprayed so as to be dispersed toward the center of the rotating cooling water 14 and descends along the inner peripheral wall of the
冷却水循環ライン15の冷却水噴射ノズル31a、31bからの循環冷却水供給条件は、オゾン含有ハイドレート生成熱を吸収して生成を促進する供給量と温度とする。
Circulating cooling water supply conditions from the cooling
例えば、オゾン含有ハイドレート生成条件を圧力2.5MPa以上、温度0〜2℃とした場合、循環冷却水の供給温度は、0℃以下(氷点降下により0℃以下でも氷結しない)にして反応温度を保持できる水量を供給する。 For example, when the ozone-containing hydrate production conditions are a pressure of 2.5 MPa or more and a temperature of 0 to 2 ° C., the supply temperature of the circulating cooling water is 0 ° C. or less (no freezing even at 0 ° C. or less due to freezing point depression). The amount of water that can be maintained is supplied.
ハイドレート化を、約274K(約1℃)の温度で進めるとすると、反応熱を吸収した未反応の水の温度は、0℃より上昇して供給される循環冷却水(約272.2K、0.2℃)よりも重くなる。 If the hydration proceeds at a temperature of about 274 K (about 1 ° C.), the temperature of the unreacted water that has absorbed the reaction heat rises from 0 ° C., and is supplied with circulating cooling water (about 272.2 K, 0.2 ° C).
このようにハイドレート反応により温度の高くなった冷却水の比重は、冷却水噴射ノズル31a、31bから噴射される温度の低い冷却水よりも重くなるため、混合ガスの噴射点である気泡発生器12よりも低い位置で循環冷却水を供給すれば、比重差により循環冷却水は、矢印で示したように上昇して噴出気泡と連続的に接触する。
Since the specific gravity of the cooling water whose temperature is increased by the hydrate reaction is heavier than that of the cooling water whose temperature is low, which is injected from the cooling
ハイドレート生成器10内のハイドレート生成領域(気泡発生器12の上部)で生成されたオゾン含有ハイドレート47は、冷却水14よりも比重が重いために、循環冷却水の旋回流による遠心力でハイドレート生成器10の内周壁側に押し寄せられながら、ハイドレート47は冷却水14との比重差のために内周壁側を旋回しながら矢印で示したように下降(旋回下降流)する。従って、噴射ノズル31a、31bから噴射された循環冷却水は、中心寄りが旋回しながら上昇(旋回上昇流)する。
Since the ozone-containing
ハイドレート生成器10内の冷却水14を旋回する理由は、上記の遠心力による重質成分(ハイドレート)の遠心分離以外に、ハイドレート反応速度に支配的な要因となる伝熱(反応熱の除去)を促進させることにある。即ちマイクロバブルと冷却水が共に上昇流となり通常は共流となるためにバブル周辺の水が随伴して伝熱を阻害するが、冷却水を旋回させることにより、冷却水の水平な流れができるために、マイクロバブルが浮力差で強く上昇しようとするので、バブルとの間に流れの方向にずれが発生する。このためにバブル周辺に随伴する冷却水の量が減り、代りに温度の低い冷却水と接触するので伝熱が促進される。
The reason for swirling the cooling water 14 in the
噴射ノズル31a、31bより下部には旋回流を防止する旋回防止板13が設けられており、これより下部は旋回が止められている。内周壁に沿って下降するハイドレート47は旋回防止板13の下部のハイドレート生成器10の底部に沈下して積層し、またハイドレート化で温度が上昇し比重の重くなった冷却水は、旋回防止板13の下部中心に設けた冷却水導入部30から吸引されて冷却水循環ライン15に導入され、冷却器34で冷却されて、再度噴射ノズル31a、31bから噴射されて循環される。
A
ハイドレート生成器10の底部に蓄積したオゾン含有ハイドレート47は排出ライン48を介してハイドレート収納容器50a、50bのいずれかに送出される。
The ozone-containing
ハイドレート生成器10の反応領域の水中を上昇した未反応の混合ガスは、生成器10の頂部の気相部に放出される。放出ガスは多量の炭酸ガス、酸素、オゾンら構成されているので、循環ガスブロワー55で吸引して再度ゲストガス供給ライン16に送入して循環使用する。
The unreacted mixed gas rising in the water in the reaction region of the
この循環ガス中のオゾン濃度は、平衡反応では、ハイドレート生成器10内で、炭酸ガスが多量にハイドレート化されるので、炭酸ガス濃度が下がり、オゾン濃度は上昇するが、循環ガスブロワー55で循環使用を繰返すとオゾン濃度が低下するので、気相部のオゾン濃度をオゾン分析器77で検知し、オゾン濃度が低い場合には、オゾン再生器57を作動させてオゾン濃度を高くしてゲストガス供給ライン16に送入する。
In the equilibrium reaction, the ozone concentration in the circulating gas is hydrated in a large amount in the
ハイドレート生成器10の気相圧力は、気相圧力検出計75で検出され、その検出圧力が設定値以上に上昇した場合は、気相圧力制御弁52により内部ガスをオゾン分解器53を介して大気に放出する。
The gas phase pressure of the
ハイドレート生成器10の旋回防止板13の下方で静置によりオゾン含有ハイドレート47から分離した温度の高い水(0℃以上)は、循環ポンプ33で吸引し、冷却器34を経由して必要温度(本実施の形態では約0℃)で冷却されて再度ハイドレート生成器10に循環供給されるが、ハイドレート化で不足する冷却水は、冷却水液面計73で液面を検出して補給水制御器74に入力し、補給水制御器74が、その不足分を冷却水供給ライン38の給水流量調節弁43を制御して適宜不足分の冷却水を冷却水循環ライン15に供給する。
High temperature water (0 ° C. or higher) separated from the ozone-containing
またゲストガスである炭酸ガスと、酸素、オゾンを、オゾン含有ハイドレートの生産量分を、酸素貯蔵容器21、混入ガス貯蔵容器25から供給するが、その際、ゲストガスの供給量を制御するゲストガス制御器70は、冷却水循環ライン15を循環する循環冷却水量を検出する冷却水流量計35の検出値に応じて、ゲストガスの供給量を制御する。
In addition, carbon dioxide gas, oxygen, and ozone, which are guest gases, are supplied from the
この場合、ハイドレート生成器10で生成されるハイドレート中のオゾン濃度は、例えば圧力2.5MPa、温度0℃の温度条件下では、水1000kgに対して、炭酸ガスが1608kg、酸素が880kg、オゾンが115kgの混合ガスとなるようにゲストガス制御器70が、各ゲストガスの供給量を制御してハイドレート化反応を進めると、オゾン含有ハイドレート47のオゾン濃度は約5400ppmに達する。水との混在を考慮しても約4,000ppmとなり高濃度のオゾン含有ハイドレート47が得られ、従来の生成法に較べて桁違いの濃度で保存できる。
In this case, the ozone concentration in the hydrate produced by the
オゾン含有ハイドレート47は、水を一部含んだ状態で流動性を維持してハイドレート生成器10の底部からハイドレート収納容器50a、50bのいずれかに自重差で充填される。
The ozone-containing
ここで、質量計51aは、ハイドレート収納容器50aの充填が完了した場合、ハイドレート導入開閉弁49aを閉じ、他のハイドレート導入開閉弁49bを開いて、他のハイドレート収納容器50bに切り替える。
Here, when the filling of the
このようにハイドレート収納容器50にオゾン含有ハイドレート47を充填した後は、ハイドレート導入開閉弁49を閉じて、そのハイドレート導入開閉弁49からハイドレート収納容器50を取り外す。
After filling the
この際、図1では示していないが、図3に示すようにハイドレート収納容器50に備えられた開閉弁81を閉じておき、そのハイドレート収納容器50を貯蔵容器80内に保管し、その貯蔵容器80内の温度を冷凍機83に接続した冷却器84で冷却すると共に流量調整弁85で貯蔵容器80内を0℃以下の温度に保持することで、オゾン含有ハイドレートを長期保存することができる。ハイドレートは、オゾンガスの1分子をホストである水が包接した構造であるため、貯蔵中に、ハイドレートを維持できる温度と圧力に保持していれば、オゾンが分解することはなく長期保存が可能となる。
At this time, although not shown in FIG. 1, the on-off
またオゾンの使用の際には、このハイドレート収納容器50を貯蔵容器80から取り出し、開閉弁81を開けて、ハイドレート収納容器50内の圧力を順次開放することで、オゾン含有ハイドレートが分解してオゾンを含むゲストガスを放出することができ、通常のガスボンベと同様にオゾンガスを噴射することが可能となる。
When ozone is used, the
次に、オゾン含有ハイドレートを生成するための圧力と温度について、図4により説明する。 Next, the pressure and temperature for producing the ozone-containing hydrate will be described with reference to FIG.
図4は、原料としての成分とそのハイドレート成分を、
成分 H2O CO2 O2 O3
原料(kg/h) 1,000 1,608 880 115
ハイドレート(kg/h) 1,000 307.5 25.5 7.3
O3濃度(ppm) 5,474
としたオゾン含有ハイドレートを製造する際の圧力と温度の関係を示したもので、温度が0℃では、2.50MPaで、温度が2℃では、3.10MPaでオゾン含有ハイドレートを製造できることを示したものである。
FIG. 4 shows components as raw materials and their hydrate components.
Component H 2 O CO 2 O 2 O 3
Raw material (kg / h) 1,000 1,608 880 115
Hydrate (kg / h) 1,000 307.5 25.5 7.3
O 3 concentration (ppm) 5,474
This shows the relationship between the pressure and temperature when producing the ozone-containing hydrate. The ozone-containing hydrate can be produced at 2.50 MPa at a temperature of 0 ° C. and 3.10 MPa at a temperature of 2 ° C. Is shown.
従来例で説明したようにオゾンガス単独でオゾンハイドレートを製造するとすると、低温・高圧条件下でしか製造できず、そのオゾン濃度も約13ppmと低濃度のものしかできないが、本発明では、オゾンガスに炭酸ガス等を混入したゲストガスでハイドレートを生成することで、0℃近傍でしかも3MPa以下でオゾン濃度約5000ppmの高濃度のオゾン含有ハイドレートとすることが可能となる。 As described in the conventional example, if ozone hydrate is produced with ozone gas alone, it can be produced only under low temperature and high pressure conditions, and the ozone concentration can only be as low as about 13 ppm. By generating a hydrate with a guest gas mixed with carbon dioxide or the like, it becomes possible to obtain a high-concentration ozone-containing hydrate at around 0 ° C. and 3 MPa or less and an ozone concentration of about 5000 ppm.
上記の組成(オゾン濃度約5000ppm)は、ハイドレートの相平衡を予測する統計熱力学モデルによる予測である。このモデルでは、オゾンのラングミュア定数(ハイドレート中へのゲスト物質の取り込まれやすさを示す指標となるモデルパラメータ)を酸素のそれの2.5倍としている。これは以下の実験事実に基づき推定した値である。 The above composition (ozone concentration about 5000 ppm) is a prediction by a statistical thermodynamic model that predicts the hydrate phase equilibrium. In this model, the Langmuir constant of ozone (a model parameter serving as an index indicating the ease of incorporation of a guest substance into the hydrate) is 2.5 times that of oxygen. This is a value estimated based on the following experimental facts.
本発明者等は、オゾンと酸素の混合ガス、水、四塩化炭素を接触させてハイドレートを生成させ、このハイドレート中の組成を測定した実験の結果、オゾンは酸素とくらべると2.5倍程度濃縮されてハイドレート中に取り込まれることを確かめた。この実験によりオゾン濃度約5000ppmのハイドレート化が可能である。 As a result of an experiment in which the present inventors made a hydrate by contacting a mixed gas of ozone and oxygen, water, and carbon tetrachloride, and measured the composition in the hydrate, ozone was 2.5. It was confirmed that it was concentrated about twice and incorporated into the hydrate. By this experiment, it is possible to hydrate with an ozone concentration of about 5000 ppm.
ハイドレート化にあたっては、オゾンガスに対して酸素を含む他のガス量(炭酸ガス、キセノン)は、質量で、5倍以上好ましくは20倍以上がよいが、他のガス量が多くなるとハイドレートガス中のオゾン濃度が少なくなるため、他のガス量は、オゾンガスに対して、10〜30倍程度がよい。 In the hydration, the amount of other gas containing oxygen (carbon dioxide gas, xenon) with respect to ozone gas should be 5 times or more, preferably 20 times or more by mass, but when the amount of other gas increases, hydrate gas Since the ozone concentration in the inside decreases, the amount of other gases is preferably about 10 to 30 times that of ozone gas.
また冷却水に吹き込むゲストガス量は、ハイドレートを形成するホストに対するゲスト量より過剰になるように、水1,000質量部に対して、ゲストガスは100〜400質量部、好ましくは、200〜300質量部が良い。 The amount of guest gas blown into the cooling water is 100 to 400 parts by mass, preferably 200 to 100 parts by mass with respect to 1,000 parts by mass of water so that the amount of guest gas exceeds the amount of guest with respect to the host forming the hydrate. 300 parts by mass is good.
次に本発明のより具体的な機器構成と原料の圧力、温度、流量について一例を説明する。
1)1m3の水からオゾンハイドレートを製造する場合の仕様
原料と生成成分量;
H2O 1,000kg/h
CO2量 307.5kg/h
O2量 25.5kg/h
O3量 7.3kg/h
水和物生成条件:
圧力 2.5MPa
温度 273K
生成ハイドレートの比重 1,150kg/m3
循環冷却水量 196,000kg/h
圧力 2.8MPa
温度 −1℃
循環ガス量 2,064kg/h
圧力 2.7MPa
温度 25℃
補給水量 1,000kg/h
圧力 2.8MPa
温度 25℃
2)機器仕様
(a)ハイドレート生成器
基数 1基
形式 円筒竪型
設計圧力 3.0MPa
設計温度 0℃
直径 0.8m
生成器高さ 8.4m
(b)気泡発生器
流量 48m3/h
気泡径 0.00023m
密度 54kg/m3
(c)循環ガスブロワー
台数 1台
吸入量 2,490kg/h
吸入圧力 2.50MPa
1段吐出圧力 2.70MPa
圧縮機モータ馬力 7.5kW
(d)酸素貯蔵容器
基数 38基
形式 円筒竪型
設計耐圧 20MPa
最高温度 55℃
直径 0.25m
高さ 0.8m
容量 0.039m3/1基
質量 10kg/m3 1基
密度 263kg/m3
貯蔵時間 12h
(e)炭酸ガス貯蔵容器
基数 477基
形式 円筒竪型
設計圧力 15MPa
最高温度 55℃
直径 0.25m
高さ 0.8m
容量 0.039m3/1基
質量 8kg/m3 1基
密度 197kg/m3
貯蔵時間 12h
(f)オゾン生成器
基数 1基
設計圧力 3MPa
設計温度 55℃
O2流量 入口 33kg/h
出口 30kg/h
O3流量 3kg/h
圧力 0.106MPa
温度 25℃
(g)オゾン再生器
基数 1基
設計圧力 3MPa
設計温度 0℃
流量 入口 CO2 1,301kg/h
O2 862kg/h
O3 100kg/h
合計 2,263kg/h
出口 CO2 1,301kg/h
O2 855kg/h
O3 108kg/h
(h)循環ポンプ
基数 1基
流量 195,670kg/h
差圧 0.39MPa
所要モータ馬力 33kW
(i)水冷却器
基数 1基
交換熱量 195,670kcal/h
循環冷却水量 195,670kg/h
入口温度 0.0℃
出口温度 −10℃
冷却伝面 87m2
冷媒蒸発温度 −5℃
(j)給水ポンプ
流量 1,000kg/h
差圧 ΔP 2.7MPa
所要モータ馬力 1.9kW
(k)補給水タンク
基数 1基
形式 円筒竪型
設計圧力 0.105MPa
温度 35℃
容積 36m3
直径 3m
高さ 5m
(l)ハイドレート収納容器
基数 52基/h
形式 円筒竪型
製造量 ハイドレート 1,340kg/h
水量 50% 670kg/h
合計 2,010kg/h
1.8m3/h
設計圧力 3MPa
温度 −25℃
直径 0.25m
容器高さ 0.8m
容量 0.039m3/1基
(m)冷凍機(冷凍サイクル)
基数 1基
冷媒 R404A
冷媒量 7,801kg/h
圧縮機モータ馬力 170kW
(n)オゾン分解器
基数 1基
流量 入口 O2 25.5kg/h
O3 7.3kg/h
出口 O2 32.8kg/h
圧力 0.106MPa
温度 0℃
Next, an example of a more specific device configuration and raw material pressure, temperature, and flow rate according to the present invention will be described.
1) Specifications for producing ozone hydrate from 1m 3 of water Raw material and amount of components produced;
H 2 O 1,000kg / h
CO 2 amount 307.5kg / h
O 2 amount 25.5 kg / h
O 3 amount 7.3 kg / h
Hydrate production conditions:
Pressure 2.5 MPa
Temperature 273K
Specific gravity of generated hydrate 1,150kg / m 3
Circulating cooling water volume 196,000kg / h
Pressure 2.8 MPa
Temperature -1 ° C
Circulating gas volume 2,064kg / h
Pressure 2.7 MPa
Supply water volume 1,000kg / h
Pressure 2.8 MPa
2) Equipment specifications (a) Hydrate generator Radix 1 Model Cylindrical saddle Design pressure 3.0 MPa
Design temperature 0 ℃
Diameter 0.8m
Generator height 8.4m
(B) Bubble generator Flow rate 48m 3 / h
Bubble diameter 0.00023m
Density 54kg / m 3
(C) Circulating gas blower Number of units 1 Inhalation amount 2,490kg / h
Suction pressure 2.50 MPa
First stage discharge pressure 2.70 MPa
Compressor motor horsepower 7.5kW
(D) Oxygen storage
Diameter 0.25m
0.8m in height
Capacity 0.039M 3/1
Storage time 12h
(E) Carbon dioxide storage container Number of bases 477 Type Cylindrical bowl Design pressure 15 MPa
Diameter 0.25m
0.8m in height
Capacity 0.039M 3/1 group weight 8 kg / m 3 1 group density 197 kg / m 3
Storage time 12h
(F) Ozone generator Radix 1 Design pressure 3 MPa
O 2 flow rate inlet 33kg / h
Exit 30kg / h
O 3 flow rate 3kg / h
Pressure 0.106 MPa
(G) Ozone regenerator Base number 1 unit Design pressure 3 MPa
Design temperature 0 ℃
Flow rate Inlet CO 2 1,301 kg / h
O 2 862 kg / h
O 3 100 kg / h
Total 2,263kg / h
Outlet CO 2 1,301 kg / h
O 2 855 kg / h
O 3 108 kg / h
(H) Circulation pump Base number 1 unit Flow rate 195,670kg / h
Differential pressure 0.39 MPa
Required motor horsepower 33kW
(I) Water cooler Base number 1 Unit Exchange heat quantity 195,670 kcal / h
Circulating cooling water volume 195,670kg / h
Inlet temperature 0.0 ℃
Outlet temperature -10 ° C
Cooling transmission area 87m 2
Refrigerant evaporation temperature -5 ℃
(J) Water supply pump Flow rate 1,000kg / h
Differential pressure ΔP 2.7 MPa
Required motor horsepower 1.9kW
(K) Replenishment water tank Number of bases 1 Model Cylindrical saddle type Design pressure 0.105 MPa
Temperature 35 ° C
Volume 36m 3
Diameter 3m
5m height
(L) Hydrate
Type Cylindrical bowl Production quantity Hydrate 1,340kg / h
Total 2,010 kg / h
1.8m 3 / h
Design pressure 3MPa
-25 ° C
Diameter 0.25m
Container height 0.8m
Capacity 0.039M 3/1 group (m) refrigerator (refrigerating cycle)
Base 1 Refrigerant R404A
Refrigerant amount 7,801 kg / h
Compressor motor horsepower 170kW
(N) Ozone decomposer Number of units 1 unit Flow rate Inlet O 2 25.5 kg / h
O 3 7.3 kg / h
Outlet O 2 32.8 kg / h
Pressure 0.106 MPa
Temperature 0 ℃
以上、オゾン含有ハイドレート製造の機器構成と、原料の流量、圧力、温度の具体例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、製造するオゾン含有ハイドレート中に含有させるオゾン濃度に応じて各ゲストガスの混合比を変えてもよいことは勿論である。 As mentioned above, although the specific example of the apparatus structure of ozone containing hydrate manufacture and the flow volume, pressure, and temperature of a raw material was demonstrated, this invention is not limited to this, It is made to contain in the ozone containing hydrate to manufacture. Of course, the mixing ratio of each guest gas may be changed according to the ozone concentration.
10 ハイドレート生成器
12 気泡発生器
14 冷却水
15 冷却水循環ライン
16 ゲストガス供給ライン
18 酸素供給ライン
20 混入ガス供給ライン
47 オゾン含有ハイドレート
50a、50b ハイドレート収納容器
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