特開 2022-143098 海水淡水化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022143098

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】海水淡水化装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/22 20060101AFI20220926BHJP

【ＦＩ】

C02F1/22 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021043439

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】504145308

【氏名又は名称】国立大学法人 琉球大学

(71)【出願人】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】慶應義塾

(71)【出願人】

【識別番号】592009281

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩプラント

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安田 啓太

(72)【発明者】

【氏名】津金 佳汰

(72)【発明者】

【氏名】大村 亮

(72)【発明者】

【氏名】矢島 智美

(72)【発明者】

【氏名】中村 至高

(72)【発明者】

【氏名】秋吉 亮

(72)【発明者】

【氏名】吉村 逸人

(72)【発明者】

【氏名】中村 亮

(72)【発明者】

【氏名】戸村 重男

【テーマコード（参考）】

4D037

【Ｆターム（参考）】

4D037AA06

4D037AB18

4D037BA21

4D037BB01

4D037BB04

4D037BB06

4D037BB08

4D037CA01

4D037CA02

4D037CA03

4D037CA06

(57)【要約】

【課題】淡水の回収率を向上させる。
【解決手段】海水淡水化装置１００は、海水とシクロペンタンとを混合して混合液を生成する混合部２１０と、シクロペンタン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、シクロペンタンハイドレート、結晶塩化物、および、塩水を含む固液混合物を生成する生成部２２０と、固液混合物を、シクロペンタンハイドレートと、結晶塩化物と、塩水とに分離する分離部４１０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

海水とシクロペンタンとを混合して混合液を生成する混合部と、
シクロペンタン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、シクロペンタンハイドレート、前記結晶塩化物、および、塩水を含む固液混合物を生成する生成部と、
前記固液混合物を、前記シクロペンタンハイドレートと、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。

【請求項2】

前記分離部によって分離された前記シクロペンタンハイドレートを加熱して、シクロペンタンと水とに分解する分解部を備える請求項１に記載の海水淡水化装置。

【請求項3】

前記生成部は、前記混合液と冷媒とを熱交換させ、
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、前記シクロペンタン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。

【請求項4】

前記分離部によって分離された前記塩水を前記混合部に返送する返送ポンプを備える請求項１から３のいずれか１項に記載の海水淡水化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、海水を淡水化する海水淡水化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２０３２５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、海水とシクロペンタンとを混合して混合液を生成する混合部と、シクロペンタン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、シクロペンタンハイドレート、結晶塩化物、および、塩水を含む固液混合物を生成する生成部と、固液混合物を、シクロペンタンハイドレートと、結晶塩化物と、塩水とに分離する分離部と、を備える。

【0008】

また、上記海水淡水化装置は、分離部によって分離されたシクロペンタンハイドレートを加熱して、シクロペンタンと水とに分解する分解部を備えてもよい。

【0009】

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、シクロペンタンハイドレートとを熱交換させてもよい。

【0010】

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。

【発明の効果】

【0011】

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。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】海水淡水化装置の概略的な構成を説明する図である。

【図2】前処理部の概略的構成を説明する図である。

【図3】混合部、生成部、および、冷媒冷却部の概略的構成を説明する図である。

【図4】分離部の概略的構成を説明する図である。

【図5】図４におけるＶ－Ｖ線断面図である。

【図6】分解部の概略的構成を説明する図である。

【図7】精製部の概略的構成を説明する図である。

【図8】塩水中の塩化ナトリウム濃度と、シクロペンタンハイドレートの生成温度および氷結温度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

［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、固液混合物ＳＬ、シクロペンタンハイドレートＣＨ、分解水、シクロペンタンＣＰ、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、分解部５１０と、精製部６１０と、中央制御部７１０とを含む。

【0015】

前処理部１１０は、海水から夾雑物を取り除く。混合部２１０は、海水とシクロペンタンＣＰ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、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液を冷媒で冷却して、シクロペンタンハイドレートＣＨ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液混合物ＳＬからシクロペンタンハイドレートＣＨおよび結晶塩化物を分離する。分解部５１０は、シクロペンタンハイドレートＣＨを水とシクロペンタンＣＰに分解する。精製部６１０は、シクロペンタンハイドレートＣＨが分解することによって得られる分解水（水）を生成する。

【0016】

中央制御部７１０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７１０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７１０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。

【0017】

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、分解部５１０、精製部６１０について詳述する。

【0018】

［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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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、逆浸透膜濾過器１１６に導く。

【0022】

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。

【0023】

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、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および流量調整弁１２６が設けられる。

【0024】

［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、固液混合物ＳＬ、シクロペンタンハイドレートＣＨ、シクロペンタンＣＰ、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。

【0025】

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、シクロペンタンＣＰ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。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。

【0026】

混合部２１０は、海水と、シクロペンタンＣＰと、循環塩水Ｊとを混合（液液混合）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、まず、海水供給管１２０から導かれた海水と、後述する分離部４１０から導かれたシクロペンタンＣＰとを混合する。その後、混合部２１０は、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液（乳濁液）に循環塩水Ｊを混合する。

【0027】

混合部２１０において、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液に、循環塩水Ｊ（－１３．４℃）が混合されることにより、循環塩水Ｊによって、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液が冷却される。これにより、ハイドレート生成反応が進行して、海水中の水が結晶水として取り込まれ、シクロペンタンハイドレートＣＨが生成される。

【0028】

なお、混合部２１０は、焼結金属またはセラミックで構成される発泡器を備える。発泡器は、シクロペンタンＣＰを１０μｍ程度の粒径の液滴として海水に噴出させる。シクロペンタンＣＰは、水に不溶である。このため、シクロペンタンＣＰと水（海水）とのハイドレート生成反応は、液液界面で進行する。したがって、発泡器がシクロペンタンＣＰを１０μｍ程度の粒径の液滴として海水に噴出させることにより、シクロペンタンＣＰ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。

【0029】

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、発泡器がシクロペンタンＣＰ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。

【0030】

また、シクロペンタンＣＰの粒径が小さすぎると、シクロペンタンＣＰ粒子を囲む水の水素結合により、シクロペンタンＣＰ粒子がチンダル現象を起こして乳濁液となり、新たな海水との接触が阻害され、反応速度が遅くなってしまう。そこで、シクロペンタンＣＰの粒径を１０μｍ程度とすることにより、チンダル現象の発生を抑制することができる。これにより、シクロペンタンＣＰと新たな海水との接触が阻害されてしまう事態を回避することが可能となる。また、シクロペンタンＣＰの粒径を小さくしすぎる、つまり、発泡器の噴出孔の径を小さくしすぎると、発泡器へのシクロペンタンＣＰの注入圧力が高くなってしまい、加圧に要するエネルギーが大きくなってしまう。そこで、シクロペンタンＣＰの粒径を１０μｍ程度とすることにより、発泡器への注入圧力を低くすることができ、加圧に要するエネルギーを低減することが可能となる。

【0031】

また、上記したように、混合部２１０は、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液に、循環塩水Ｊを混合する。これにより、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液におけるシクロペンタンハイドレートＣＨの急激な生成を抑制することができる。したがって、シクロペンタンハイドレートＣＨによって、発泡器の孔が閉塞されてしまう事態を回避することが可能となる。なお、海水およびシクロペンタンＣＰの混合液の温度は、冬季でも約４℃と推定される。このため、冬季であってもシクロペンタンハイドレートＣＨによって発泡器の孔が閉塞されることはない。

【0032】

なお、分離部４１０から導かれるシクロペンタンＣＰの量は、海水中の水のうち、シクロペンタンハイドレートＣＨとなり得る水の９０％以上９５％以下の水が結晶水としてシクロペンタンハイドレートＣＨに取り込まれる（転化する）量とする。これにより、シクロペンタンハイドレートＣＨによって、混合部２１０、固液混合物供給管２１２、生成部２２０、および、固液混合物送出管２２２が閉塞してしまう事態を回避することができる。

【0033】

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約８倍である。後述する生成部２２０において、混合部２１０で生成された固液混合物ＳＬを冷却すると、迅速にシクロペンタンハイドレートＣＨが生成される。そうすると、固液混合物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、２３．８質量％）に達すると、塩化ナトリウム二水和物（ＮａＣｌ・２Ｈ_２Ｏ、結晶塩化物）が析出する。そこで、循環塩水Ｊの量を海水の約８倍とすることにより、生成部２２０において、生成される固体量（シクロペンタンハイドレートＣＨ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、固液混合物送出管２２２の閉塞を防止することが可能となる。

【0034】

［生成部２２０］
生成部２２０は、固液混合物供給管２１２を通じて混合部２１０から導かれた固液混合物ＳＬを、シクロペンタンハイドレートＣＨおよび結晶塩化物の共晶温度（例えば、－１３．４℃）に冷却する。本実施形態において、生成部２２０は、固液混合物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、さらにシクロペンタンハイドレートＣＨが生成される。生成部２２０によって生成された、シクロペンタンハイドレートＣＨ、結晶塩化物、および、共晶濃度の塩水を含む固液混合物ＳＬは、固液混合物送出管２２２を通じて分離部４１０に導かれる。

【0035】

［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。

【0036】

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。

【0037】

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５１０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５１０に導かれる。

【0038】

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。

【0039】

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５１０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。

【0040】

冷媒供給管３６０は、冷媒圧縮機３３０の吐出側と分解部５１０（分解熱交換器５２２）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７１０は、後述する分解部５１０の分解熱交換器５２２を通過する冷媒によってシクロペンタンハイドレートＣＨ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５１０とバッファタンク３５０とを接続する。

【0041】

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７１０は、生成部２２０における固液混合物ＳＬの温度が共晶温度となるように、流量調整弁３７２の開度を調整する。

【0042】

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７１０は、後述する分離部４１０の固液分離器４１２における固液混合物ＳＬの温度が共晶温度（例えば、－１３．４℃）となるように、流量調整弁３８２の開度を調整する。

【0043】

［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、固液混合物ＳＬ、シクロペンタンＣＰ、循環塩水Ｊ、シクロペンタンハイドレートＣＨ、および、結晶塩化物の流れを示す。図４中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。また、図４中、破線は、塩水とシクロペンタンＣＰとの界面を示し、一点鎖線は、シクロペンタンハイドレートＣＨとシクロペンタンＣＰとの界面を示し、二点鎖線は、シクロペンタンＣＰと気相（空気）との界面を示す。

【0044】

図４に示すように、分離部４１０は、固液分離器４１２と、熱交換器４２０と、脱水機４２２と、乾燥機４２４と、循環ポンプ４３０と、返送ポンプ４４０と、随伴液分離器４５０と、脱液機４６０と、ゲスト供給部４７０とを含む。

【0045】

固液分離器４１２は、円筒形状の容器である。固液分離器４１２の内部には、噴出部４１４と、仕切板４１６とが設けられる。噴出部４１４は、シクロペンタンＣＰを噴出する。仕切板４１６は、固液混合物ＳＬからシクロペンタンハイドレートＣＨを分離する。

【0046】

図５は、図４におけるＶ－Ｖ線断面図である。なお、図５中、理解を容易にするために噴出部４１４を省略する。

【0047】

図５に示すように、仕切板４１６は、底面部４１６ａと、前面部４１６ｂと、２つの側面部４１６ｃとを有する。底面部４１６ａは、固液分離器４１２の側壁から固液分離器４１２内に、水平方向に突出する板である。底面部４１６ａは、後述する塩水とシクロペンタンＣＰとの界面（図４中、破線で示す）よりも上方に位置する。前面部４１６ｂは、底面部４１６ａの先端から鉛直上方に延在する板である。側面部４１６ｃは、底面部４１６ａ、前面部４１６ｂ、および、固液分離器４１２の内壁に連続する板である。このため、固液分離器４１２内において、底面部４１６ａ、前面部４１６ｂ、側面部４１６ｃ、および、固液分離器４１２の内壁で囲繞された仕切空間Ｓが形成される。

【0048】

詳しくは後述するが、固液分離器４１２内においてシクロペンタンハイドレートＣＨは、塩水中を浮上する。浮上したシクロペンタンハイドレートＣＨは、前面部４１６ｂおよび側面部４１６ｃの上端を越流（オーバーフロー）して仕切空間Ｓに導かれる。仕切空間Ｓに導かれたシクロペンタンハイドレートＣＨは、仕切空間Ｓを構成する固液分離器４１２の内壁に形成された排出口を通じて、後述する随伴液分離器４５０に導かれる。

【0049】

図４に戻って説明すると、固液分離器４１２の上部には、ガストラップ４１８が接続される。ガストラップ４１８は、固液分離器４１２から導かれた空気を排気したり、固液分離器４１２に空気を供給したりして、固液分離器４１２内の圧力を大気圧（０．１ＭＰａ程度）に維持する。ガストラップ４１８を備える構成により、昼夜の温度差、および、気圧の変動に拘わらず、固液分離器４１２内の圧力を大気圧に維持することができる。

【0050】

また、固液混合物送出管２２２は、生成部２２０と、固液分離器４１２における噴出部４１４と仕切板４１６との間とを接続する。したがって、生成部２２０から導かれた固液混合物ＳＬは、固液分離器４１２における噴出部４１４と仕切板４１６との間に供給される。

【0051】

熱交換器４２０は、固液分離器４１２内の固液混合物ＳＬを共晶温度（例えば、－１３．４℃）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液混合物ＳＬとを熱交換して、固液混合物ＳＬを冷却する。これにより、固液分離器４１２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、固液混合物ＳＬの温度が共晶温度（例えば、－１３．４℃）となると、固液混合物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、２３．８質量％）に到達し、結晶塩化物が析出する。

【0052】

そして、固液分離器４１２内において、固液混合物ＳＬが、シクロペンタンハイドレートＣＨと、結晶塩化物と、塩水と、シクロペンタンＣＰとに比重差で分離される。具体的に説明すると、シクロペンタンＣＰの比重は、０．７５である。シクロペンタンハイドレートＣＨの比重は、０．９５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。したがって、固液分離器４１２において、シクロペンタンハイドレートＣＨは塩水とシクロペンタンＣＰとの界面（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、シクロペンタンハイドレートＣＨの約７０％は、シクロペンタンＣＰ層に位置し、約３０％は、塩水中に位置する。なお、固液分離器４１２内において、シクロペンタンハイドレートＣＨとシクロペンタンＣＰとが十分に分離される程度に、シクロペンタンハイドレートＣＨの滞留時間が長くなるように、固液分離器４１２は設計される。

【0053】

こうして、浮上したシクロペンタンハイドレートＣＨは、上記仕切板４１６を越流して、随伴液分離器４５０に導かれる。なお、上記したように、仕切板４１６の底面部４１６ａは、塩水とシクロペンタンＣＰとの界面の上方に設けられる。このため、仕切板４１６を越流したシクロペンタンハイドレートＣＨには、塩水がほとんど随伴されず、シクロペンタンＣＰが随伴されることになる。これにより、後段の分解部５１０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。

【0054】

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、後述するアキュムレータ４５６に導かれる。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。

【0055】

また、脱水機４２２とアキュムレータ４５６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７１０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。

【0056】

また、固液分離器４１２内で浮上分離されたシクロペンタンＣＰは、循環ポンプ４３０によって混合部２１０および噴出部４１４に返送される。

【0057】

循環ポンプ４３０の吸入側は、固液分離器４１２における仕切板４１６の上方に接続される。循環ポンプ４３０の吐出側は、ゲスト供給管４３２に接続される。ゲスト供給管４３２は、循環ポンプ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７１０は、混合部２１０に導かれるシクロペンタンＣＰの量が、海水中の水のうち、シクロペンタンハイドレートＣＨとなり得る水の９０％以上９５％以下の水が結晶水としてシクロペンタンハイドレートＣＨに取り込まれる量となるように、流量調整弁４３４の開度を調整する。

【0058】

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。中央制御部７１０は、固液分離器４１２に導かれるシクロペンタンＣＰの量が、海水中の水のうち、シクロペンタンハイドレートＣＨとなり得る水の５％以上１０％以下の水が結晶水としてシクロペンタンハイドレートＣＨに取り込まれる量となるように、流量調整弁４３８の開度を調整する。つまり、噴出部４１４から導かれるシクロペンタンＣＰによって、海水中の水のうち、シクロペンタンハイドレートＣＨとなり得る水のほとんどすべて（１００％）をシクロペンタンハイドレートＣＨに転化させることができる。なお、中央制御部７１０は、後述する精製部６１０で設定される淡水の目標量となるように、流量調整弁４３４および流量調整弁４３８の開度を調整してもよい。

【0059】

また、固液分離器４１２内で分離された塩水（例えば、－１３．４℃）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７１０は、混合部２１０に導かれる塩水（循環塩水Ｊ）の量が、海水の約８倍となるように、流量調整弁４４４の開度を調整する。

【0060】

随伴液分離器４５０には、シクロペンタンハイドレートＣＨと、シクロペンタンハイドレートＣＨに随伴される微量のシクロペンタンＣＰおよび塩水とが導かれる。随伴液分離器４５０は、比重差によって、シクロペンタンハイドレートＣＨと、シクロペンタンＣＰと、塩水とを分離する。

【0061】

随伴液分離器４５０内において、シクロペンタンＣＰは、上層に浮上して滞留する。また、シクロペンタンハイドレートＣＨと、遊離液との混合物は、中層を形成する。なお、遊離液は、塩水とシクロペンタンＣＰとの混合液である。また、塩水は、下層に滞留する。

【0062】

ゲスト返送管４５２は、随伴液分離器４５０の上部と、固液分離器４１２におけるシクロペンタンＣＰと空気との界面（図４中、二点鎖線で示す）の上方とを接続する配管である。随伴液分離器４５０の上層を構成するシクロペンタンＣＰは、比重差で中層および下層に押上げられ、ゲスト返送管４５２を通じて、固液分離器４１２の気相中に自動的に返送される。

【0063】

随伴液分離器４５０において中層を形成するシクロペンタンハイドレートＣＨは、上昇および下層の液面で挟持されつつ、後述する脱液機４６０に吸引される。

【0064】

随伴液分離器４５０において下層を形成する塩水は、滞留水排出ポンプ４５４で吸引されて循環塩水供給管４４２を通じて混合部２１０に返送される。なお、随伴液分離器４５０と滞留水排出ポンプ４５４との間には、アキュムレータ４５６が設けられている。アキュムレータ４５６は、塩水とシクロペンタンＣＰとを比重差分離する。このため、滞留水排出ポンプ４５４は、アキュムレータ４５６によって分離された塩水を混合部２１０に返送する。また、アキュムレータ４５６によって分離されたシクロペンタンＣＰは、ゲスト返送管４５２を通じて、固液分離器４１２に返送される。

【0065】

なお、随伴液分離器４５０とアキュムレータ４５６とを接続する配管には、流量調整弁４５８が設けられる。中央制御部７１０は、随伴液分離器４５０における下層と、中層との界面が所定位置に維持されるように、流量調整弁４５８の開度を調整する。

【0066】

脱液機４６０は、随伴液分離器４５０から中層（シクロペンタンハイドレートＣＨ）を吸引して、脱液する。脱液機４６０は、例えば、随伴液を３０質量％以下にする。脱液機４６０によって脱液されたシクロペンタンハイドレートＣＨは、分解部５１０に導かれる。一方、脱液機４６０で生じた随伴液（シクロペンタンＣＰおよび塩水）は、随伴液分離器４５０に返送される。なお、脱液機４６０と随伴液分離器４５０との間には、流量調整弁４６２が設けられる。中央制御部７１０は、脱液機４６０の脱液効率を維持するように、流量調整弁４６２の開度を調整する。

【0067】

ゲスト供給部４７０は、シクロペンタンＣＰを固液分離器４１２に導く。ゲスト供給部４７０は、窒素ボンベ４７２と、タンク４７４と、ゲスト供給管４７８とを含む。窒素ボンベ４７２は、窒素を貯蔵する。タンク４７４は、シクロペンタンＣＰを貯蔵する。窒素ボンベ４７２と、タンク４７４とを接続する配管には安全弁４７６が設けられる。また、タンク４７４には、不図示のベント弁が設けられる。ゲスト供給管４７８は、タンク４７４とゲスト返送管４５２とを接続する。

【0068】

窒素ボンベ４７２に貯蔵された窒素は、タンク４７４に導かれる。タンク４７４に導かれた窒素によって、タンク４７４内のシクロペンタンＣＰは、ゲスト供給管４７８に押し出される。そして、シクロペンタンＣＰは、ゲスト供給管４７８、ゲスト返送管４５２を通じて、固液分離器４１２に導かれる。

【0069】

また、ゲスト供給管４７８には、流量調整弁４８０が設けられる。中央制御部７１０は、固液分離器４１２内におけるシクロペンタンＣＰと空気との界面が所定位置に維持されるように、流量調整弁４８０の開度を調整する。

【0070】

［分解部５１０］
分解部５１０は、分離部４１０によって分離されたシクロペンタンハイドレートＣＨを加熱して、シクロペンタンＣＰと水とに分解する。図６は、分解部５１０の概略的構成を説明する図である。図６中、実線の矢印は、シクロペンタンハイドレートＣＨ、固液混合物、シクロペンタンＣＰ、および、分解水の流れを示す。図６中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。また、図６中、破線は、水とシクロペンタンＣＰとの界面を示し、一点鎖線は、シクロペンタンＣＰの気相（空気）との界面を示す。

【0071】

図６に示すように、分解部５１０は、熱交換管５１２と、分解器５２０と、回収ポンプ５３０と、吸着塔５４０とを含む。

【0072】

熱交換管５１２は、分離部４１０の脱液機４６０と、分解器５２０とを接続する配管である。熱交換管５１２は、分離部４１０の脱液機４６０から導かれたシクロペンタンハイドレートＣＨと、冷媒冷却部３１０から導かれた冷媒とを熱交換させる。熱交換管５１２は、例えば、二重管である。シクロペンタンハイドレートＣＨは、熱交換管５１２の内管を通過する。冷媒供給管３６０を通じて冷媒冷却部３１０から導かれた冷媒は、熱交換管５１２の外管を通過する。熱交換管５１２を備える構成により、シクロペンタンハイドレートＣＨの一部が分解され、水（分解水）が生成される。これにより、分解水が潤滑液として機能し、脱液機４６０から分解器５２０へのシクロペンタンハイドレートＣＨの移送を容易に行うことができる。

【0073】

分解器５２０は、円筒形状の容器である。分解器５２０の内部には、分解熱交換器５２２が設けられる。分解熱交換器５２２は、分解器５２０内のシクロペンタンハイドレートＣＨと、冷媒冷却部３１０から導かれ、熱交換管５１２を通過した冷媒とを熱交換させる。分解熱交換器５２２は、冷媒の凝縮熱によって、シクロペンタンハイドレートＣＨを加熱する。

【0074】

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。

【0075】

一方、冷媒によって加熱されたシクロペンタンハイドレートＣＨは、シクロペンタンＣＰと水（分解水）とに分解される。上記したように、シクロペンタンＣＰの比重は、水より小さい。このため、分解器５２０内において、シクロペンタンＣＰが浮上して上層を形成し、分解水が沈降して下層を形成する。

【0076】

また、分解器５２０の上部には、ガストラップ５２４が接続される。ガストラップ５２４は、分解器５２０から導かれた空気を排気したり、分解器５２０に空気を供給したりして、分解器５２０内の圧力を大気圧（０．１ＭＰａ程度）に維持する。ガストラップ５２４を備える構成により、昼夜の温度差、および、気圧の変動に拘わらず、分解器５２０内の圧力を大気圧に維持することができる。

【0077】

分解器５２０の下層に滞留した分解水は、精製部６１０に導かれる。一方、分解器５２０の上層に滞留したシクロペンタンＣＰは、回収ポンプ５３０によって、吸着塔５４０に導かれる。

【0078】

回収ポンプ５３０の吸入側は、分解器５２０における上層の滞留位置に接続される。回収ポンプ５３０の吐出側は、吸着塔５４０に接続される。

【0079】

吸着塔５４０は、シクロペンタンＣＰに含まれる微量の不純物を吸着して除去する。吸着塔５４０によって不純物が除去されたシクロペンタンＣＰは、随伴液分離器４５０の上層に返送される。

【0080】

［精製部６１０］
図７は、精製部６１０の概略的構成を説明する図である。図７中、実線の矢印は、水の流れを示す。

【0081】

図７に示すように、精製部６１０は、分解水昇圧ポンプ６１２と、逆浸透膜濾過器６２０と、浄水精製部６２２とを含む。

【0082】

分解水昇圧ポンプ６１２は、分解部５１０の分解熱交換器５２２で生成された分解水（水）を昇圧して逆浸透膜濾過器６２０に導く。分解水昇圧ポンプ６１２の吸入側は、分解熱交換器５２２の底部に接続される。分解水昇圧ポンプ６１２の吐出側は、逆浸透膜濾過器６２０に接続される。

【0083】

逆浸透膜濾過器６２０は、分解水から塩分濃度１００ｐｐｍ以下の淡水を回収する。回収された淡水（例えば、混合部２１０に導かれる海水の約８８％）は、浄水精製部６２２に導かれる。浄水精製部６２２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。

【0084】

一方、逆浸透膜濾過器６２０において、淡水が回収された分解水の一部は、三方弁６２４を通じて、分離部４１０の固液分離器４１２に返送される。また、淡水が回収された分解水の残りは、三方弁６２４を通じて外部に廃棄される。

【0085】

［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７１０は、前処理部１１０の海水昇圧ポンプ１１４を駆動して、固液分離器４１２に海水（原料）を充填する。そして、固液分離器４１２におけるシクロペンタンハイドレートＣＨの排出口のわずかに下方まで海水が充填されたら、中央制御部７１０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７１０は、返送ポンプ４４０を駆動して、固液分離器４１２内の海水を循環させる。また、中央制御部７１０は、ゲスト供給部４７０を駆動して、固液分離器４１２にシクロペンタンＣＰを供給するとともに、循環ポンプ４３０を駆動して、シクロペンタンＣＰを混合部２１０に供給する。

【0086】

続いて、中央制御部７１０は、冷媒冷却部３１０を駆動する。なお、中央制御部７１０は、生成部２２０において、一定速度でシクロペンタンハイドレートＣＨ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。

【0087】

そして、循環塩水Ｊの温度（固液分離器４１２内の温度）が、共晶温度（－１３．４℃）、循環塩水Ｊの塩化ナトリウム濃度（固液分離器４１２内の塩水の塩化ナトリウム濃度）が２３．８質量％に到達したら、中央制御部７１０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７１０は、冷媒冷却部３１０、循環ポンプ４３０、返送ポンプ４４０を通常運転に切り換える。

【0088】

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、海水からシクロペンタンハイドレートＣＨを生成し、シクロペンタンハイドレートＣＨ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。

【0089】

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、海水およびシクロペンタンＣＰを冷却してシクロペンタンハイドレートＣＨおよび結晶塩化物を並行して生成する。図８は、塩水中の塩化ナトリウム濃度と、シクロペンタンハイドレートＣＨの生成温度および氷結温度との関係を示す図である。図８中、横軸は、塩水中の塩化ナトリウム濃度［ｗｔ％（質量％）］を示す。図８中、縦軸は、温度［℃］を示す。また、図８中、実線は、シクロペンタンハイドレートＣＨ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、シクロペンタンハイドレートＣＨ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。

【0090】

図８に示すように、塩化ナトリウム濃度に拘わらず、シクロペンタンハイドレートＣＨ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、シクロペンタンハイドレートＣＨが生成される。

【0091】

また、シクロペンタンハイドレートＣＨ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。

【0092】

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、シクロペンタンハイドレートＣＨ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、シクロペンタンハイドレートＣＨと結晶塩化物とを並行して製造することができる。

【0093】

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５１０、および、精製部６１０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。

【0094】

また、上記したように、シクロペンタンＣＰは、水に不溶である。このため、分解器５２０は、シクロペンタンＣＰと分解水とを容易に分離することが可能となる。また、比重差のみで、シクロペンタンＣＰと分解水とを分離できるため、海水淡水化装置１００は、分解器５２０の内圧を大気圧下にすることができる。同様に、比重差のみで、シクロペンタンＣＰと、シクロペンタンハイドレートＣＨと、塩水とを分離できるため、海水淡水化装置１００は、固液分離器４１２の内圧を大気圧下にすることができる。

【0095】

また、シクロペンタンＣＰは、水に不溶であるため、海水淡水化装置１００は、分解水にシクロペンタンＣＰが溶存される事態を回避することができる。これにより、海水淡水化装置１００は、分解水を安全な飲料水とすることが可能となる。

【0096】

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５２２とを備える。これにより、シクロペンタンハイドレートＣＨによって冷媒を冷却することができる。したがって、シクロペンタンハイドレートＣＨ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５１０は、冷媒の熱でシクロペンタンハイドレートＣＨ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、シクロペンタンハイドレートＣＨ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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。なお、逆浸透膜濾過器１１６を備えない場合、海水昇圧ポンプ１１４の吐出圧は、０．３ＭＰａＧ程度と、逆浸透膜濾過器１１６を備える場合よりも低くなる。

【0100】

また、上記実施形態において、分解熱交換器５２２がシクロペンタンハイドレートＣＨ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、シクロペンタンハイドレートＣＨ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、シクロペンタンハイドレートＣＨ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。

【0101】

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。

【0102】

また、上記実施形態において、分離部４１０（固液分離器４１２）が、固液混合物ＳＬを、シクロペンタンハイドレートＣＨと、結晶塩化物と、塩水と、シクロペンタンＣＰ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（固液分離器４１２）は、固液混合物ＳＬを、シクロペンタンハイドレートＣＨと、結晶塩化物と、塩水と、シクロペンタンＣＰ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。

【符号の説明】

【0103】

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
５１０ 分解部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】