JP2022143099A - Seawater desalination apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、海水を淡水化する海水淡水化装置に関する。 The present invention relates to a seawater desalination apparatus for desalinating seawater.
従来、海水を淡水化する技術として、多段フラッシュ(MSF: Multi-Stage Flash)法が利用されている。多段フラッシュ法は、海水を加熱して水を蒸発(フラッシュ)させ、蒸発した水(水蒸気)を冷却して凝縮する工程を複数回実行する。このため、多段フラッシュ法は、加熱に要する熱エネルギーが莫大となり、また、凝縮によって外部に廃棄される熱エネルギーも莫大となる。したがって、多段フラッシュ法は、加熱に要するコストが嵩むだけでなく、地球温暖化の要因ともなっている。 Conventionally, a multi-stage flash (MSF) method has been used as a technique for desalinating seawater. In the multi-stage flash method, the steps of heating seawater to evaporate water (flash) and cooling and condensing the evaporated water (steam) are performed multiple times. For this reason, the multi-stage flash method requires a huge amount of thermal energy for heating, and a huge amount of thermal energy is wasted to the outside due to condensation. Therefore, the multistage flash method not only increases the cost required for heating, but also contributes to global warming.
そこで、逆浸透膜に高圧の海水を通過させる逆浸透(RO: Reverse Osmosis)法が開発されている(例えば、特許文献1)。 Therefore, a reverse osmosis (RO) method has been developed in which high-pressure seawater is passed through a reverse osmosis membrane (for example, Patent Document 1).
上記逆浸透法では、淡水の回収率が30%程度と低い。そこで、淡水の回収率を向上できる技術の開発が希求されている。 In the reverse osmosis method, the recovery rate of fresh water is as low as about 30%. Therefore, there is a demand for the development of technology that can improve the recovery rate of freshwater.
本発明は、このような課題に鑑み、淡水の回収率を向上させることが可能な海水淡水化装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a seawater desalination apparatus capable of improving the recovery rate of freshwater.
上記課題を解決するために、本発明に係る海水淡水化装置は、海水と二酸化炭素とを混合して混合液を生成する混合部と、二酸化炭素ハイドレートおよび結晶塩化物の共晶温度に混合液を冷却して、二酸化炭素ハイドレート、結晶塩化物、および、塩水を含む固気液混合物を生成する生成部と、固気液混合物を、二酸化炭素ハイドレートと、結晶塩化物と、塩水とに分離する分離部と、を備える。 In order to solve the above problems, a seawater desalination apparatus according to the present invention includes a mixing unit that mixes seawater and carbon dioxide to produce a mixed liquid, and a mixture that mixes carbon dioxide hydrate and crystalline chloride at the eutectic temperature. a generator that cools the liquid to form a solid-gas-liquid mixture comprising carbon dioxide hydrate, crystalline chloride, and brine; and a separation unit that separates into
また、上記海水淡水化装置は、分離部によって分離された二酸化炭素ハイドレートを加熱して、二酸化炭素と水とに分解する分解部を備えてもよい。 Moreover, the seawater desalination apparatus may include a decomposing section that heats the carbon dioxide hydrate separated by the separating section to decompose it into carbon dioxide and water.
また、生成部は、混合液と冷媒とを熱交換させ、分解部は、生成部において熱交換された冷媒と、二酸化炭素ハイドレートとを熱交換させてもよい。 Further, the generating section may heat-exchange the liquid mixture and the refrigerant, and the decomposition section may heat-exchange the refrigerant heat-exchanged in the generating section with the carbon dioxide hydrate.
また、上記海水淡水化装置は、分離部によって分離された塩水を混合部に返送する返送ポンプを備えてもよい。 Moreover, the seawater desalination apparatus may include a return pump for returning the salt water separated by the separation section to the mixing section.
また、上記海水淡水化装置は、塩水より塩化ナトリウム濃度が低い淡水を分離部に供給して、塩水の層の上方に淡水の層を形成する淡水供給部を備えてもよい。 Further, the seawater desalination apparatus may include a freshwater supply unit that supplies freshwater having a lower sodium chloride concentration than saltwater to the separation unit to form a freshwater layer above the saltwater layer.
本発明によれば、淡水の回収率を向上させることが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to improve the recovery rate of fresh water.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in these embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are given the same reference numerals to omit redundant description, and elements that are not directly related to the present invention are omitted from the drawings. do.
[海水淡水化装置100]
図1は、海水淡水化装置100の概略的な構成を説明する図である。なお、図1中、実線の矢印は、海水、固気液混合物SL、二酸化炭素ハイドレートH、分解水、混合ガスMG、および、循環塩水Jの流れを示す。また、図1中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。図1に示すように、海水淡水化装置100は、前処理部110と、混合部210と、生成部220と、冷媒冷却部310と、分離部410と、冷熱回収部510と、分解部610と、精製部710と、中央制御部810とを含む。
[Seawater desalination device 100]
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a
前処理部110は、海水から夾雑物を取り除く。混合部210は、海水と混合ガスMGとを混合する。冷媒冷却部310は、冷媒を冷却する。生成部220は、海水および混合ガスMGの混合液を冷媒で冷却して、二酸化炭素ハイドレートHおよび結晶塩化物を生成する。分離部410は、生成部220によって生成された固気液混合物SLから二酸化炭素ハイドレートHおよび結晶塩化物を分離する。冷熱回収部510は、二酸化炭素ハイドレートHの冷熱を海水で回収して、混合部210に導く。分解部610は、二酸化炭素ハイドレートHを水と混合ガスMGに分解する。精製部710は、二酸化炭素ハイドレートHが分解することによって得られる分解水(水)を生成する。
The
中央制御部810は、CPU(中央処理装置)を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部810は、ROM(Read Only Memory:読み出し専用メモリ)からCPU自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部810は、プログラム、ワークエリアとしてのRAM(Random Access Memory:読み書き可能なメモリ)や他の電子回路と協働して海水淡水化装置100全体を管理および制御する。
The
以下、前処理部110、混合部210、生成部220、冷媒冷却部310、分離部410、冷熱回収部510、分解部610、精製部710について詳述する。
The
[前処理部110]
図2は、前処理部110の概略的構成を説明する図である。図2中、実線の矢印は、海水および淡水の流れを示す。
[Preprocessing unit 110]
FIG. 2 is a diagram for explaining a schematic configuration of the preprocessing
図2に示すように、前処理部110は、粗精製部112と、海水昇圧ポンプ114と、逆浸透膜濾過器116と、浄水精製部118と、海水供給管120とを含む。
As shown in FIG. 2 , the
粗精製部112は、海水(例えば、2℃以上28℃以下)の夾雑物を除去するとともに、海水を殺菌する。粗精製部112は、例えば、フィルタおよび殺菌灯で構成される。
The
海水昇圧ポンプ114の吸入側は、粗精製部112に接続される。海水昇圧ポンプ114の吐出側は、逆浸透膜濾過器116に接続される。海水昇圧ポンプ114は、粗精製部112によって夾雑物が取り除かれ、殺菌された海水を昇圧して(例えば、5.6MPa)、逆浸透膜濾過器116に導く。
A suction side of the
逆浸透膜濾過器116は、海水から淡水を一部(海水昇圧ポンプ114から導かれた海水の約30%)回収する。回収された淡水は、浄水精製部118に導かれる。浄水精製部118は、淡水を浄化する。浄化された淡水は、飲料水等として利用される。
The reverse
一方、逆浸透膜濾過器116において、淡水が一部回収された海水(海水昇圧ポンプ114から導かれた海水の約70%)は、例えば、2.7MPaに減圧され、海水供給管120を通じて混合部210に導かれる。海水供給管120は、逆浸透膜濾過器116と混合部210とを接続する配管である。海水供給管120には、安全弁124、流量調整弁126、および、冷熱回収部510が設けられる。
On the other hand, in the reverse
[混合部210]
図3は、混合部210、生成部220、および、冷媒冷却部310の概略的構成を説明する図である。図3中、実線の矢印は、海水、固気液混合物SL、二酸化炭素ハイドレートH、混合ガスMG、および、循環塩水Jの流れを示す。また、図3中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。
[Mixing section 210]
FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
図3に示すように、海水は、海水供給管120を通じて、前処理部110から混合部210に導かれる。また、海水は、海水供給管120の通過過程において、後述する冷熱回収部510によって冷却される。混合ガスMGは、ゲスト供給管432を通じて、分離部410から混合部210に導かれる。混合ガスMGは、二酸化炭素および窒素からなる。混合ガスMG中の二酸化炭素濃度は、例えば、98mol%であり、窒素濃度は、例えば、2mol%である。循環塩水Jは、循環塩水供給管442を通じて、分離部410から混合部210に導かれる。
As shown in FIG. 3 , seawater is led from the
混合部210は、海水と、混合ガスMGと、循環塩水J(-13.6℃)とを混合(気液混合)する。混合部210は、例えば、螺旋型のライン混合器(流体の流れで回転し流体が撹拌される混合器)である。混合部210は、液相(海水)において混合ガスMGの気泡(例えば、粒径10μm以上40μm以下のマイクロバブル)が実質的に均等に分布するようなミキサーで構成される。混合部210内の圧力は、例えば、2.7MPaである。混合部210は、海水供給管120から導かれた海水と、後述する分離部410から導かれた混合ガスMGと循環塩水Jとを混合する。
The
そうすると、混合ガスMGに含まれる二酸化炭素と、海水に含まれる水とによって、二酸化炭素ハイドレートHが生成される。二酸化炭素と水(海水)とのハイドレート生成反応は、気液界面で進行する。したがって、混合部210が、混合ガスMGのマイクロバブルを海水と混合することにより、混合ガスMGと海水との接触面積を大きくすることができ、ハイドレート生成反応を促進させることが可能となる。
Then, carbon dioxide hydrate H is produced by the carbon dioxide contained in the mixed gas MG and the water contained in the seawater. A hydrate formation reaction between carbon dioxide and water (seawater) proceeds at the gas-liquid interface. Therefore, the
また、ハイドレート生成反応は、発熱反応である。したがって、混合部210が混合ガスMGと海水との接触面積を大きくすることにより、反応熱を効率よく除去することができる。これにより、ハイドレート生成反応を促進させることが可能となる。
Also, the hydrate formation reaction is an exothermic reaction. Therefore, by increasing the contact area between the mixed gas MG and the seawater in the
また、分離部410から導かれる循環塩水Jの量は、前処理部110から導かれる海水の5倍以上10倍以下である。後述する生成部220において、混合部210で生成された固気液混合物SLを冷却すると、迅速に二酸化炭素ハイドレートHが生成される。そうすると、固気液混合物SL中の水が減少して塩化ナトリウム(NaCl)の濃度が上昇する。塩化ナトリウムの濃度が共晶濃度(例えば、24.5質量%)に達すると、塩化ナトリウム二水和物(NaCl・2H2O、結晶塩化物)が析出する。そこで、循環塩水Jの量を海水の5倍以上10倍以下とすることにより、生成部220において、生成される固体量(二酸化炭素ハイドレートHおよび塩化ナトリウム二水和物)を10質量%以下とすることができる。これにより、固気液混合物送出管222の閉塞を防止することが可能となる。
Also, the amount of circulating salt water J led from the
[生成部220]
生成部220内の圧力は、例えば、2.7MPaである。生成部220は、固気液混合物送出管212を通じて混合部210から導かれた固気液混合物SLを、二酸化炭素ハイドレートHおよび結晶塩化物の共晶温度(圧力が2.7MPaの場合、-9.6℃)に冷却する。本実施形態において、生成部220は、固気液混合物SLと冷媒とを熱交換させる熱交換器である。生成部220は、固気液混合物SLを冷却し、冷媒を加熱する。生成部220によって冷却されることで、固気液混合物SLにおいてハイドレート生成反応がさらに進行する。これにより、生成部220において、さらに二酸化炭素ハイドレートHが生成される。生成部220によって生成された、二酸化炭素ハイドレートH、混合ガスMG、結晶塩化物、および、共晶濃度の塩水を含む固気液混合物SLは、固気液混合物送出管222を通じて分離部410に導かれる。
[Generation unit 220]
The pressure inside the
また、生成部220の長さ(固気液混合物SLの通過な長さ)は、例えば、60m以上80m以下である。これにより、二酸化炭素ハイドレートHの生成率を80%以上とすることができる。 Also, the length of the generation unit 220 (the length through which the solid-gas-liquid mixture SL passes) is, for example, 60 m or more and 80 m or less. Thereby, the production rate of carbon dioxide hydrate H can be made 80% or more.
[冷媒冷却部310]
冷媒冷却部310は、バッファタンク320と、冷媒圧縮機330と、冷却器340と、バッファタンク350とを備える。
[Refrigerant cooling unit 310]
バッファタンク320は、冷媒返送管322を通じて生成部220に接続される。また、バッファタンク320は、冷媒返送管324を通じて分離部410に接続される。バッファタンク320は、冷媒返送管322を通じて生成部220から導かれる気体状態の冷媒、および、冷媒返送管324を通じて分離部410から導かれる気体状態の冷媒を貯留する。冷媒冷却部310は、バッファタンク320を備えることにより、冷媒圧縮機330の吸入圧の変動、および、吸入量の変動を抑えることができる。
The
冷媒圧縮機330の吸入側は、バッファタンク320に接続される。冷媒圧縮機330の吐出側は、冷却器340および分解部610に接続される。冷媒圧縮機330は、冷媒を昇圧する。冷媒圧縮機330によって圧縮された冷媒は、冷却器340および分解部610に導かれる。
A suction side of the
冷却器340は、冷媒圧縮機330によって昇圧された冷媒を冷却して凝縮する。冷却器340は、例えば、空冷装置、または、水冷装置で構成される。
バッファタンク350は、冷却器340によって凝縮された冷媒(液体)、および、分解部610において凝縮された冷媒(液体)を貯留する。冷媒冷却部310は、バッファタンク350を備えることにより、冷媒(液体)の脈動(流量の変動、および、圧力の変動)を吸収することができる。
冷媒供給管360は、冷媒圧縮機330の吐出側と分解部610(分解熱交換器622)とを接続する。冷媒供給管360には、流量調整弁362が設けられる。中央制御部810は、後述する分解部610の分解熱交換器622を通過する冷媒によって二酸化炭素ハイドレートHが分解されるように、流量調整弁362の開度を調整する。冷媒返送管364は、分解部610とバッファタンク350とを接続する。
冷媒供給管370は、バッファタンク350と生成部220とを接続する。冷媒供給管370には、流量調整弁372が設けられる。中央制御部810は、生成部220における固気液混合物SLの温度が共晶温度(-9.6℃)となるように、流量調整弁372の開度を調整する。
A
冷媒供給管380は、バッファタンク350と分離部410とを接続する。冷媒供給管380には、流量調整弁382が設けられる。中央制御部810は、後述する分離部410の固気液分離器412における固気液混合物SLの温度が共晶温度(例えば、-9.6℃)となるように、流量調整弁382の開度を調整する。
A
[分離部410]
図4は、分離部410の概略的構成を説明する図である。図4中、実線の矢印は、液体、および、固体の流れを示す。図4中、破線の矢印は、気体の流れを示す。図4中、一点鎖線の矢印は、冷媒の流れを示す。また、図4中、破線は、塩水と淡水との界面を示し、一点鎖線は、淡水と気相(混合ガスMG)との界面を示す。
[Separation unit 410]
FIG. 4 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
図4に示すように、分離部410は、固気液分離器412と、熱交換器420と、脱水機422と、乾燥機424と、循環圧縮機430と、返送ポンプ440と、遊離水希釈器450と、脱水機460と、ゲスト供給部470とを含む。
As shown in FIG. 4, the
固気液分離器412は、円筒形状の容器である。固気液分離器412は、大径部412a、縮径部412b、小径部412cを含む。大径部412aは、円筒形状である。縮径部412bは、大径部412aの上端に連続する。縮径部412bは、下端から上端に向かうに従って径が漸減する。小径部412cは、縮径部412bの上端に連続する。小径部412cは、大径部412aよりも小径である。
The solid-gas-
大径部412aの内部には、噴出部414が設けられる。噴出部414は、混合ガスMGを噴出する。
A jetting
固気液混合物送出管222は、生成部220と、固気液分離器412(大径部412a)における噴出部414の下方とを接続する。したがって、生成部220から導かれた固気液混合物SLは、固気液分離器412における噴出部414の下方に供給される。
The solid-gas-liquid
熱交換器420は、大径部412a内の固気液混合物SLを共晶温度(例えば、-9.6℃)に冷却する。熱交換器420には、冷媒供給管380および冷媒返送管324が接続される。熱交換器420は、冷媒冷却部310から導かれた冷媒と固気液混合物SLとを熱交換して、固気液混合物SLを冷却する。これにより、大径部412a内において、ハイドレート生成反応がさらに促進される。そして、固気液混合物SLの温度が共晶温度(例えば、-9.6℃)となると、固気液混合物SLに含まれる塩水における塩化ナトリウムの濃度が共晶濃度(例えば、24.5質量%)に到達し、結晶塩化物が析出する。
The
そして、固気液分離器412内において、固気液混合物SLが、二酸化炭素ハイドレートHと、結晶塩化物と、塩水とに比重差で分離される。具体的に説明すると、二酸化炭素ハイドレートHの比重は、1.15である。また、塩水の比重は、1.20である。結晶塩化物の比重は、1.69である。なお、詳しくは後述するが、固気液分離器412には、塩水よりも塩化ナトリウム濃度が低い淡水(比重1.0)が供給される。このため、塩水と淡水とが比重差で分離される。つまり、固気液分離器412内において、塩水で構成される下層、淡水で構成される上層(-5℃以上0℃以下)、淡水の上方に位置する気相が形成される。なお、本実施形態において、上層と下層との界面(図4中、破線で示す)が、小径部412cに形成されるように、固気液分離器412が設計される。
Then, in the solid-gas-
したがって、固気液分離器412において、二酸化炭素ハイドレートHは、淡水(上層)と塩水(下層)との界面上(図4中、破線で示す)に浮上し、結晶塩化物は、塩水中に沈降する。なお、二酸化炭素ハイドレートHの約4%は、淡水(上層)に位置し、約96%は、塩水中に位置する。また、二酸化炭素ハイドレートHには、未反応の微小な気泡が付着するため、二酸化炭素ハイドレートHの見かけの比重は軽くなる。したがって、二酸化炭素ハイドレートHは、4%以上、上層(淡水)に位置することになる。なお、固気液分離器412内において、二酸化炭素ハイドレートHの遊離水(随伴水)が、塩水から淡水に十分に置換される程度に、上層における二酸化炭素ハイドレートHの滞留時間が長くなるように、固気液分離器412は設計される。
Therefore, in the solid-gas-
そして、不図示の液面計(比重計)によって、淡水で構成される上層に浮上した二酸化炭素ハイドレートHの位置が検出され、上層に位置する二酸化炭素ハイドレートH(-5℃以上0℃以下)は、小径部412cに設けられた排出ノズルを通じて、遊離水希釈器450に導かれる。このため、二酸化炭素ハイドレートHには、塩水がほとんど随伴されず、淡水が随伴されることになる。これにより、後段の分解部610において生成される水の塩化ナトリウム濃度を低減することができる。
Then, the position of the carbon dioxide hydrate H floating in the upper layer composed of fresh water is detected by a liquid level gauge (hydrometer) (not shown), and the carbon dioxide hydrate H located in the upper layer (-5 ° C. below) is led to the
なお、混合ガスMGは、二酸化炭素に加えて、水への溶解度が極めて小さい窒素を少量含む。このため、二酸化炭素が、二酸化炭素ハイドレートHの生成条件(温度、圧力、二酸化炭素成分率)以内にある限り、二酸化炭素ハイドレートHが生成され続ける。つまり、混合ガスMG中の二酸化炭素がハイドレート生成限界分率に低下するまで、二酸化炭素は二酸化炭素ハイドレートHに転化する。 The mixed gas MG contains, in addition to carbon dioxide, a small amount of nitrogen, which has extremely low solubility in water. Therefore, as long as carbon dioxide is within the conditions for producing carbon dioxide hydrate H (temperature, pressure, carbon dioxide component ratio), carbon dioxide hydrate H continues to be produced. That is, carbon dioxide is converted to carbon dioxide hydrate H until the carbon dioxide in the mixed gas MG is reduced to the hydrate formation limit fraction.
二酸化炭素ハイドレートHの生成反応は、二酸化炭素と水との気液界面の気相中で進行し、また、生成された二酸化炭素ハイドレートHは、反応場から分離される。このため、二酸化炭素ハイドレートHの生成条件下において、二酸化炭素ハイドレートHは連続的に析出され、気相中の二酸化炭素濃度は、ハイドレート生成限界濃度まで低下する。 The production reaction of carbon dioxide hydrate H proceeds in the gas phase at the gas-liquid interface between carbon dioxide and water, and the produced carbon dioxide hydrate H is separated from the reaction field. Therefore, the carbon dioxide hydrate H is continuously precipitated under the conditions for producing the carbon dioxide hydrate H, and the carbon dioxide concentration in the gas phase decreases to the hydrate production limit concentration.
残存した二酸化炭素は、二酸化炭素ハイドレートHに転化しない水に平衡溶解する。このため、後述する返送ポンプ440によって塩水が混合部210に返送されると、塩水中に溶解する二酸化炭素濃度は、ハイドレート生成限界濃度と略平衡した溶解濃度に収束する。したがって、固気液分離器412から排出される二酸化炭素ハイドレートHおよび随伴水中の二酸化炭素濃度は、この溶解濃度となる。
The remaining carbon dioxide dissolves in equilibrium in water without converting to carbon dioxide hydrate H. Therefore, when the salt water is returned to the
一方、沈降した結晶塩化物は、脱水機422によって脱水される。脱水機422によって脱水された結晶塩化物は、乾燥機424で乾燥される。一方、脱水機422によって生じた塩水は、海水供給管120を通じて、混合部210に返送される。乾燥機424によって乾燥された結晶塩化物(塩化ナトリウム)は、製品として出荷される。
On the other hand, the precipitated crystal chloride is dehydrated by
また、脱水機422と海水供給管120とを接続する配管には、流量調整弁426が設けられる。中央制御部810は、脱水機422の脱水効率を維持するように、流量調整弁426の開度を調整する。
A pipe connecting the
また、固気液分離器412内で分離された、未反応の混合ガスMGは、循環圧縮機430によって混合部210および噴出部414に返送される。
In addition, unreacted mixed gas MG separated in solid-gas-
循環圧縮機430の吸入側は、固気液分離器412における小径部412cの上部に接続される。循環圧縮機430の吐出側は、アキュムレータ430aを介して、ゲスト供給管432に接続される。ゲスト供給管432は、循環圧縮機430と混合部210とを接続する配管である。ゲスト供給管432には、流量調整弁434が設けられる。中央制御部810は、固気液分離器412内の物質収支を等しくすべく、注入された淡水量と海水中の未反応の水の合計量がプラスとなるように(つまり、固気液分離器412内において、水がすべて二酸化炭素ハイドレートHとならないように)、流量調整弁434の開度を調整する。混合部210、生成部220、および、固気液分離器412における、二酸化炭素ハイドレートHの転化率は、80%以上90%以下である。このため、10%以上20%以下の未反応の水が淡水とともに遊離水希釈器450に排出される。したがって、中央制御部810は、固気液分離器412内の噴出部414の上方の塩水の層の比重が一定になるように、流量調整弁434の開度を調整する。
The suction side of the
ゲスト循環管436は、ゲスト供給管432における流量調整弁434と混合部210との間と、噴出部414とを接続する配管である。ゲスト循環管436には、流量調整弁438が設けられる。
The
固気液混合物送出管222から導かれる固気液混合物SLは、共晶温度(-9.6℃)となっているため、二酸化炭素ハイドレートHがこのまま上昇して淡水の層(上層)に到達すると、淡水の層が氷結してしまう。そこで、噴出部414を通じて、混合ガスMGを固気液分離器412に供給することで、固気液分離器412において二酸化炭素ハイドレートHの生成反応をさらに促進する。これにより、二酸化炭素ハイドレートHの反応熱によって、淡水の層の温度を-5℃以上0℃以下に維持することができる。中央制御部810は、固気液分離器412に導かれる混合ガスMGの量が、上層の温度を-5℃以上0℃以下にするために必要な量(例えば、約10%)となるように、流量調整弁438の開度を調整する。
Since the solid-gas-liquid mixture SL led from the solid-gas-liquid
なお、上層に位置する二酸化炭素ハイドレートHは、一部分解されるが、噴出部414から供給された混合ガスMGによって生成される二酸化炭素ハイドレートHで補填される。
Note that the carbon dioxide hydrate H positioned in the upper layer is partially decomposed, but is supplemented with the carbon dioxide hydrate H produced by the mixed gas MG supplied from the
また、噴出部414から混合ガスMGを噴出させることにより、上層の二酸化炭素ハイドレートHを振動させることができる。これにより、二酸化炭素ハイドレートHの遊離水の淡水への置換を促進させることが可能となる。
In addition, by ejecting the mixed gas MG from the
また、固気液分離器412内で分離された塩水(例えば、-9.6℃)は、返送ポンプ440によって混合部210に返送される。返送ポンプ440の吸入側は、固気液分離器412における噴出部414の下方に接続される。返送ポンプ440の吐出側は、循環塩水供給管442に接続される。循環塩水供給管442は、返送ポンプ440と混合部210とを接続する配管である。循環塩水供給管442は、流量調整弁444が設けられる。中央制御部810は、混合部210に導かれる塩水(循環塩水J)の量が、海水の5倍以上10倍以下となるように、流量調整弁444の開度を調整する。
Also, the salt water (eg, −9.6° C.) separated in the solid-gas-
遊離水希釈器450には、二酸化炭素ハイドレートHと、二酸化炭素ハイドレートHに随伴される淡水および塩水とが導かれる。遊離水希釈器450は、比重差によって、二酸化炭素ハイドレートHと、塩化ナトリウム濃度が低い塩水(以下、「薄い塩水」とする)とを分離する。
The carbon dioxide hydrate H and the fresh water and salt water accompanying the carbon dioxide hydrate H are directed to the
遊離水希釈器450内において、薄い塩水は、上層に滞留する。また、二酸化炭素ハイドレートHと、遊離水(塩化ナトリウム濃度が高い塩水(以下、「濃い塩水」とする))との混合物は、下層に滞留する。
Within the
不図示の液面計(比重計)は、薄い塩水の層と、二酸化炭素ハイドレートHの層との界面を検知する。滞留水排出ポンプ452(淡水供給部)は、遊離水希釈器450内における薄い塩水の層と、二酸化炭素ハイドレートHの層との界面が一定位置になるように、薄い塩水を吸引する。吸引された薄い塩水の一部は、三方弁454を通じて、海水供給管120に導かれる。また、吸引された薄い塩水の残部は、接続管456、三方弁458を通じて、遊離水希釈器450と、固気液分離器412に返送される。
A liquid level gauge (hydrometer) (not shown) detects the interface between the thin salt water layer and the carbon dioxide hydrate H layer. The accumulated water discharge pump 452 (fresh water supply unit) sucks the thin salt water so that the interface between the thin salt water layer and the carbon dioxide hydrate H layer in the
一方、脱水機460は、遊離水希釈器450内における薄い塩水の層と、二酸化炭素ハイドレートHの層との界面が一定位置になるように、二酸化炭素ハイドレートHおよび遊離水を吸引し、落圧(0.07MPa程度)するとともに、脱水する。脱水機460は、例えば、随伴水を30質量%以下にする。脱水機460によって脱水された二酸化炭素ハイドレートHは、冷熱回収部510に導かれる。一方、脱水機460で生じた随伴水(濃い塩水)は、海水供給管120に返送される。なお、脱水機460と海水供給管120とを接続する配管には、流量調整弁462が設けられる。中央制御部810は、脱水機460の脱水効率を維持するように、流量調整弁462の開度を調整する。
On the other hand, the
ゲスト供給部470は、混合ガスMGを固気液分離器412に導く。ゲスト供給部470は、窒素ボンベ472と、二酸化炭素ボンベ474と、ゲスト供給管476と、窒素供給管478とを含む。窒素ボンベ472は、窒素を貯蔵する。二酸化炭素ボンベ474は、二酸化炭素を貯蔵する。ゲスト供給管476は、二酸化炭素ボンベ474と、固気液分離器412の小径部412cの気相が形成される箇所とを接続する配管である。ゲスト供給管476には、安全弁476a、流量調整弁476bが設けられる。窒素供給管478は、窒素ボンベ472と、ゲスト供給管476における流量調整弁476bと、固気液分離器412との間とを接続する配管である。窒素供給管478には、安全弁478a、流量調整弁478bが設けられる。
The
[冷熱回収部510]
冷熱回収部510は、脱水された二酸化炭素ハイドレートH(-5℃以上0℃以下)と、海水供給管120を通過する海水(2℃以上28℃以下)とを熱交換させる。これにより、海水が4℃程度に冷却される。したがって、海水の冷却に要するコストを低減することができる。
[Cold heat recovery unit 510]
Cold
また、冷熱回収部510により、二酸化炭素ハイドレートHが加熱される。これにより、二酸化炭素ハイドレートHの一部が分解され、水(分解水)が生成される。したがって、分解水が潤滑液として機能し、冷熱回収部510から分解部610への二酸化炭素ハイドレートHの移送を容易に行うことができる。
In addition, the carbon dioxide hydrate H is heated by the cold
[分解部610]
分解部610は、分離部410によって分離された二酸化炭素ハイドレートHを加熱して、二酸化炭素と水とに分解する。図5は、分解部610の概略的構成を説明する図である。図5中、実線の矢印は、二酸化炭素ハイドレートH、二酸化炭素、および、分解水の流れを示す。図5中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。また、図5中、破線は、水と二酸化炭素との界面を示す。
[Disassembler 610]
The
図5に示すように、分解部610は、分解器620と、回収圧縮機630とを含む。
As shown in FIG. 5 ,
分解器620は、円筒形状の容器である。分解器620の内部には、分解熱交換器622が設けられる。分解熱交換器622は、分解器620内の二酸化炭素ハイドレートHと、冷媒冷却部310から導かれた冷媒とを熱交換させる。分解熱交換器622は、冷媒の凝縮熱によって、二酸化炭素ハイドレートHを加熱する。
除熱(冷却)された冷媒は、液トラップ366において一旦貯留された後、冷媒返送管364を通じて、バッファタンク350に返送される。
The heat-removed (cooled) refrigerant is temporarily stored in the
一方、冷媒によって加熱された二酸化炭素ハイドレートHは、二酸化炭素と水(分解水)とに分解される。したがって、分解器620内において、二酸化炭素が上層を形成し、分解水が下層を形成する。
On the other hand, the carbon dioxide hydrate H heated by the refrigerant is decomposed into carbon dioxide and water (decomposed water). Thus, within
分解器620の下層に滞留した分解水は、精製部710に導かれる。
Decomposed water remaining in the lower layer of
一方、分解器620の上層に滞留した二酸化炭素は、回収圧縮機630によって、分離部410のゲスト供給管432に導かれる。これにより、分解水を脱気して、分解水に溶解された二酸化炭素をとり除くことができる。また、分解器620の上層に滞留した二酸化炭素を分離部410に返送することにより、二酸化炭素を99%回収することが可能となる。
On the other hand, the carbon dioxide retained in the upper layer of the
回収圧縮機630の吸入側は、分解器620における上部に接続される。回収圧縮機630の吐出側は、分離部410のゲスト供給管432に接続される。また、回収圧縮機630と分離部410のゲスト供給管432とを接続する配管には、流量調整弁632が設けられる。
The suction side of
[精製部710]
図6は、精製部710の概略的構成を説明する図である。図6中、実線の矢印は、水の流れを示す。
[Refining section 710]
FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
図6に示すように、精製部710は、分解水昇圧ポンプ712と、逆浸透膜濾過器720と、浄水精製部722と、淡水供給ポンプ726とを含む。
As shown in FIG. 6 ,
分解水昇圧ポンプ712は、分解部610の分解熱交換器622で生成された分解水(水)を昇圧して逆浸透膜濾過器720に導く。分解水昇圧ポンプ712の吸入側は、分解熱交換器622の底部に接続される。分解水昇圧ポンプ712の吐出側は、逆浸透膜濾過器720に接続される。
The cracked
逆浸透膜濾過器720は、分解水から塩分濃度80ppm以下の淡水を回収する。回収された淡水は、浄水精製部722に導かれる。浄水精製部722は、淡水を浄化する。浄化された淡水は、飲料水等として利用される。
The reverse
一方、逆浸透膜濾過器720において、淡水が回収された分解水の一部は、三方弁724を通じて、滞留水排出ポンプ452(淡水供給部)が吐出する薄い塩水とともに、分離部410の固気液分離器412の小径部412cに淡水として返送される。具体的に説明すると、淡水供給ポンプ726(淡水供給部)の吸入側は、三方弁724に接続され、吐出側は、分離部410の接続管456に接続される。したがって、淡水供給ポンプ726は、淡水が回収された分解水の一部を固気液分離器412および遊離水希釈器450に導く。
On the other hand, in the reverse
また、淡水が回収された分解水の残り(3%以上5%以下)は、三方弁624を通じて外部に廃棄される。 The remainder (3% or more and 5% or less) of the decomposed water from which the fresh water has been recovered is discharged outside through the three-way valve 624 .
[起動方法]
続いて、海水淡水化装置100の起動方法を説明する。まず、中央制御部810は、前処理部110の海水昇圧ポンプ114を駆動して、固気液分離器412に海水(原料)を充填する。そして、固気液分離器412の小径部412cに設けられた排出ノズルのわずかに下方まで海水が充填されたら、中央制御部810は、海水昇圧ポンプ114の駆動を停止する。そして、中央制御部810は、返送ポンプ440を駆動して、固気液分離器412内の海水を循環させる。また、中央制御部810は、ゲスト供給部470を駆動して、固気液分離器412に混合ガスMGを供給するとともに、循環圧縮機430を駆動して、混合ガスMGを混合部210に供給する。
[starting method]
Next, a method for activating the
続いて、中央制御部810は、冷媒冷却部310を駆動する。なお、中央制御部810は、生成部220において、一定速度で二酸化炭素ハイドレートHが析出される、つまり、一定速度で塩水中の塩化ナトリウム濃度が増加するように、冷媒冷却部310を制御する。
Subsequently,
そして、循環塩水Jの温度が、共晶温度(-9.6℃)、循環塩水Jの塩化ナトリウム濃度が24.5質量%に到達したら、中央制御部810は、海水昇圧ポンプ114を起動し、通常運転に切り換える。また、中央制御部810は、冷媒冷却部310、循環圧縮機430、返送ポンプ440を通常運転に切り換える。
When the temperature of the circulating salt water J reaches the eutectic temperature (−9.6° C.) and the sodium chloride concentration of the circulating salt water J reaches 24.5% by mass, the
なお、海水(原料)の比重は、二酸化炭素ハイドレートHよりも小さい。このため、二酸化炭素ハイドレートHの生成初期では、固気液分離器412内において、海水(原料)は二酸化炭素ハイドレートHの上部に浮上する。つまり、二酸化炭素ハイドレートHの生成初期において、二酸化炭素ハイドレートHは、海水(原料)の下部に沈降する。一方、固気液分離器412内において、ハイドレート生成反応が進行するにつれ、海水(原料)中の水が二酸化炭素ハイドレートHに転化する。そうすると、固気液分離器412内の海水の塩分濃度が上昇する。固気液分離器412内の海水(塩水)の塩分濃度が、約19質量%程度(平衡温度-4℃)となると、海水(塩水)と二酸化炭素ハイドレートHとの比重が等しくなり、二酸化炭素ハイドレートHが海水(塩水)に懸濁された一相状態となる。ハイドレート生成反応がさらに進行すると、海水(塩水)の塩分濃度がさらに上昇し、海水(塩水)の比重が増加する。そうすると、海水(塩水)が二酸化炭素ハイドレートHの下部に沈降する。このため、固気液分離器412内の海水(塩水)が共晶温度に到達するまでに生成される二酸化炭素ハイドレートHを固気液分離器412の下部に滞留させておき、循環塩水Jへの二酸化炭素ハイドレートHの混入を低減する。したがって、循環塩水Jの排出口は、固気液分離器412の底部から約20体積%上方の位置に設けられるとよい。
The specific gravity of seawater (raw material) is smaller than that of carbon dioxide hydrate H. For this reason, seawater (raw material) floats above the carbon dioxide hydrate H in the solid-gas-
以上説明したように、本実施形態に係る海水淡水化装置100は、海水から二酸化炭素ハイドレートHを生成し、二酸化炭素ハイドレートHを分解することで、海水のほとんどすべてを淡水に変換することができる。したがって、海水淡水化装置100は、逆浸透法のみを採用する技術と比較して、淡水の回収率を向上させることが可能となる。したがって、海水淡水化装置100は、ゼロエミッションを達成することができる。また、海水淡水化装置100は、ほぼ無排水化(ZLD:Zero Liquid Discharge)を図ることが可能となる。
As described above, the
また、上記したように、海水淡水化装置100は、混合部210、生成部220、冷媒冷却部310、および、分離部410を備え、海水および混合ガスMGを冷却して二酸化炭素ハイドレートHおよび結晶塩化物を並行して生成する。図7は、塩水中の塩化ナトリウム濃度と、二酸化炭素ハイドレートHの生成温度および氷結温度との関係を示す図である。図7中、横軸は、塩水中の塩化ナトリウム濃度[wt%(質量%)]を示す。図7中、縦軸は、温度[℃]を示す。また、図7中、実線は、二酸化炭素ハイドレートHの生成温度を示し、破線は氷結温度を示し、一点鎖線は塩化ナトリウムの飽和溶解度を示す。つまり、実線と一点鎖線の交点は、二酸化炭素ハイドレートHと塩化ナトリウム二水和物の共晶点(共晶温度)であり、破線と一点鎖線の交点は、氷と塩化ナトリウム二水和物の共晶点(共晶温度)である。
Further, as described above, the
図7に示すように、塩化ナトリウム濃度に拘わらず、二酸化炭素ハイドレートHハイドレートの生成温度は、氷結温度(氷点)よりも高い。このため、混合部210、生成部220、および、分離部410において、氷結に優先して、二酸化炭素ハイドレートHが生成される。
As shown in FIG. 7, the production temperature of carbon dioxide hydrate H hydrate is higher than the freezing temperature (freezing point) regardless of the sodium chloride concentration. Therefore, in the
また、二酸化炭素ハイドレートHハイドレートの生成温度は、氷結温度よりも高いため、海水を氷結させる場合と比較して、海水淡水化装置100は、冷媒冷却部310による冷媒の冷却負荷を低減することができる。
In addition, since the production temperature of carbon dioxide hydrate H hydrate is higher than the freezing temperature, the
また、上記したように、混合部210、生成部220、および、分離部410は、二酸化炭素ハイドレートHと結晶塩化物との共晶温度に維持される。したがって、海水淡水化装置100は、二酸化炭素ハイドレートHと結晶塩化物とを並行して製造することができる。
Also, as described above, the
また、上記したように、海水淡水化装置100は、海水昇圧ポンプ114、混合部210、生成部220、分離部410、分解部610、および、精製部710を備える。これにより、海水淡水化装置100は、淡水および塩を連続して製造することが可能となる。
Further, as described above, the
また、上記したように、二酸化炭素および窒素(混合ガスMG)は、不燃性である。このため、海水淡水化装置100は、安全に運転することが可能となる。
Also, as described above, carbon dioxide and nitrogen (mixed gas MG) are nonflammable. Therefore, the
また、上記したように、海水淡水化装置100は、冷媒冷却部310と分解熱交換器622とを備える。これにより、二酸化炭素ハイドレートHによって冷媒を冷却することができる。したがって、二酸化炭素ハイドレートHの反応熱を除去するためのエネルギーを低減することが可能となる。また、分解部610は、冷媒の熱で二酸化炭素ハイドレートHを分解することができる。これにより、海水淡水化装置100は、二酸化炭素ハイドレートHの分解に要する熱エネルギーを削減することが可能となる。
Moreover, as described above, the
また、上記したように、海水淡水化装置100は、冷熱回収部510を備える。これにより、二酸化炭素ハイドレートHによって海水を冷却することができる。これにより、海水淡水化装置100は、海水の冷却に要するエネルギーを削減することが可能となる。
Moreover, as described above, the
また、上記したように、海水淡水化装置100は、返送ポンプ440を備える。これにより、海水淡水化装置100は、結晶塩化物および分解水の回収率を向上させることができる。
Moreover, as described above, the
また、上記したように、固気液分離器412には、淡水が供給される。これにより、二酸化炭素ハイドレートHの随伴水を塩水から淡水に置換することができる。これにより、二酸化炭素ハイドレートHを分解した結果得られる、分解水の塩化ナトリウム濃度を低減することが可能となる。
In addition, fresh water is supplied to the solid-gas-
また、上記したように、固気液分離器412は、小径部412cを備え、淡水と塩水との界面が小径部412cとなる。これにより、遊離水希釈器450に導かれる、二酸化炭素ハイドレートHと遊離水(随伴水)との組成の変動を抑制することができる。
Further, as described above, the solid-gas-
また、上記したように、混合部210、生成部220、固気液分離器412は、2.7MPaである。これにより、安価な部品を採用することができ、海水淡水化装置100自体の製作コストを低減することが可能となる。
Further, as described above, the pressure of the
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such embodiments. It is obvious that a person skilled in the art can conceive of various modifications or modifications within the scope of the claims, and it should be understood that these also belong to the technical scope of the present invention. be done.
例えば、上記実施形態において、前処理部110が、逆浸透膜濾過器116を備える場合を例に挙げた。しかし、逆浸透膜濾過器116は、必須の構成ではない。
For example, in the above embodiment, the case where the
また、上記実施形態において、分解熱交換器622が二酸化炭素ハイドレートHと熱交換させることで冷却された冷媒によって、生成部220が混合液を冷却する場合を例に挙げた。しかし、二酸化炭素ハイドレートHの分解と、混合液の冷却とは、別の熱媒体や機器で行われてもよい。例えば、二酸化炭素ハイドレートHの分解は、燃焼排ガスとの熱交換で行われてもよい。また、混合液の冷却は、LNGとの熱交換で行われてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the case where the
また、上記実施形態において、海水淡水化装置100が返送ポンプ440を備える場合を例に挙げた。しかし、返送ポンプ440は、必須の構成ではない。
Moreover, in the above-described embodiment, the case where the
また、上記実施形態において、固気液分離器412に淡水を供給する構成を例に挙げた。しかし、固気液分離器412に淡水が供給されずともよい。
Moreover, in the above-described embodiment, the configuration in which fresh water is supplied to the solid-gas-
また、上記実施形態において、生成部220が生成するハイドレートのゲスト物質として二酸化炭素を例に挙げた。しかし、ハイドレートのゲスト物質に限定はない。例えば、ゲスト物質として、二酸化炭素に代えて、または、加えて、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、キセノン、および、クリプトンのうちのいずれか1または複数を用いてもよい。
In the above embodiment, carbon dioxide was taken as an example of the guest substance of the hydrate produced by the
また、上記実施形態において、分離部410(固気液分離器412)が、固気液混合物SLを、二酸化炭素ハイドレートHと、結晶塩化物と、塩水とに比重差で分離する構成を例に挙げた。しかし、分離部410(固気液分離器412)は、遠心分離機で構成されてもよい。つまり、分離部410(固気液分離器412)は、固気液混合物SLを、二酸化炭素ハイドレートHと、結晶塩化物と、塩水とに遠心分離してもよい。これにより、海水淡水化装置100を船内等に設けることが可能となる。
Further, in the above embodiment, the separation unit 410 (solid-gas-liquid separator 412) separates the solid-gas-liquid mixture SL into carbon dioxide hydrate H, crystal chloride, and salt water by specific gravity difference. listed in However, the separation unit 410 (solid-gas-liquid separator 412) may be configured by a centrifugal separator. That is, the separation unit 410 (solid-gas-liquid separator 412) may centrifuge the solid-gas-liquid mixture SL into carbon dioxide hydrate H, crystal chloride, and salt water. This makes it possible to install the
100 海水淡水化装置
210 混合部
220 生成部
410 分離部
440 返送ポンプ
452 滞留水排出ポンプ(淡水供給部)
610 分解部
726 淡水供給ポンプ(淡水供給部)
100
610
Claims (5)
二酸化炭素ハイドレートおよび結晶塩化物の共晶温度に前記混合液を冷却して、前記二酸化炭素ハイドレート、前記結晶塩化物、および、塩水を含む固気液混合物を生成する生成部と、
前記固気液混合物を、前記二酸化炭素ハイドレートと、前記結晶塩化物と、前記塩水とに分離する分離部と、
を備える海水淡水化装置。 a mixing unit that mixes seawater and carbon dioxide to produce a mixed liquid;
a generator that cools the mixture to a eutectic temperature of the carbon dioxide hydrate and the crystalline chloride to produce a solid-gas-liquid mixture comprising the carbon dioxide hydrate, the crystalline chloride, and brine;
a separation unit that separates the solid-gas-liquid mixture into the carbon dioxide hydrate, the crystalline chloride, and the salt water;
seawater desalination equipment.
前記分解部は、前記生成部において熱交換された前記冷媒と、前記二酸化炭素ハイドレートとを熱交換させる請求項2に記載の海水淡水化装置。 The generation unit heat-exchanges the mixed liquid and the refrigerant,
The seawater desalination apparatus according to claim 2, wherein the desalination unit causes heat exchange between the refrigerant heat-exchanged in the generation unit and the carbon dioxide hydrate.
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