JP2000283896A - 超臨界水反応実験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実験を効率的に進めることができる、超臨界
水反応実験に適したバッチ式実験装置を提供する。 【解決手段】 本超臨界水反応実験装置１０は、セミバ
ッチ式の超臨界水反応の実験装置であって、反応器１２
と、過酸化水素水の供給系統１４と、反応生成物の流出
系統１６とから構成される。反応器は、開放、密閉自在
な耐圧容器であって、容器壁に沿って設けられた電気抵
抗発熱体１８と、反応器１２内の温度が所定温度になる
ように電気抵抗発熱体１８に流れる電流の強度を調節す
る温度制御装置２０とを備える。過酸化水素水の供給系
統は、過酸化水素水を収容するタンク２４と、過酸化水
素水を反応器に送入するポンプ２５と、過酸化水素水を
所定温度に予熱する予熱器２６とを備える。反応生成物
の流出系統は、反応器から流出した反応生成物が流れる
反応生成物流出管３１に、順次、水冷却器３２と、自力
式圧力制御弁３４と、気液分離器３６とを備えている。
反応生成物中の有機物量を計測するＴＯＣ計３８が圧力
制御弁の下流の反応生成物流出管３１に設けてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超臨界水反応実験
装置に関し、更に詳細には、超臨界水反応実験に適した
セミバッチ式超臨界水反応実験装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】環境問題に対する認識の高まりと共に、
有機物の酸化、分解能力の高い超臨界水反応を利用し
て、環境汚染物質を分解、無害化する試みが注目されて
いる。すなわち、超臨界水の高い反応性を利用した超臨
界水反応により、従来技術では分解することが難しかっ
た有害な難分解性の有機物、例えば、ＰＣＢ（ポリ塩素
化ビフェニル）、ダイオキシン、有機塩素系溶剤等を分
解して、二酸化炭素、窒素、水、無機塩などの無害な生
成物に転化する試みである。また、超臨界水反応の利用
分野は、有害な難分解性の有機物の処理を目的とする分
野のみならず、低価値の有機物を高価値の有益な有機物
に転換するプロセスにも適用されつつある。そして、そ
のような超臨界水反応プロセスを実施する実用的な超臨
界水反応装置も、研究され、開発されている。

【０００３】超臨界水反応装置とは、超臨界水の高い反
応性を利用して有機物を分解する装置であって、例え
ば、難分解性の有害な有機物を分解して無害な二酸化炭
素と水に転化したり、難分解性の高分子化合物を分解し
て有用な低分子化合物に転化したりするために、現在、
その実用化が盛んに研究されている。超臨界水とは、超
臨界状態にある水、即ち、水の臨界点を越えた状態にあ
る水を言い、詳しくは、３７４．１℃以上の温度で、か
つ２２．０４ＭＰａ以上の圧力下にある状態の水を言
う。超臨界水は、有機物を溶解する溶解能が高く、有機
化合物に多い非極性物質をも完全に溶解することができ
る一方、逆に、金属、塩等の無機物に対する溶解能は著
しく低い。また、超臨界水は、酸素や窒素などの気体と
任意の割合で混合して単一相を構成することができる。

【０００４】ところで、商業的規模で超臨界水反応を適
用するプロセスを開発するに当たっては、先ず、適用対
象物に対する超臨界水反応の基礎的研究を積み重ねるこ
とが重要であって、例えば、基礎的研究の一環として、
多数回の超臨界水反応実験を行って、異なる条件下で種
々のデータを採取することが必要である。そのため、従
来は、通常のオートクレーブ型の反応器を利用したバッ
チ式実験により、超臨界水反応のデータを採取してい
る。オートクレーブ型反応器を用いた超臨界水反応のバ
ッチ式実験では、先ず、有機物を含む反応対象物を反応
器に投入し、水と、酸化剤として過酸化水素（Ｈ
₂Ｏ₂ ）とを充填する。次いで、電気ヒータ等で反応器
を加熱して超臨界水反応を開始させ、超臨界水反応が終
了した時点で、反応器を冷却し、反応生成物を採取し、
分析する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、オートクレー
ブ型反応器を用いた従来のバッチ式超臨界水反応実験で
は、次のような問題があった。 （１）酸化剤として充填した過酸化水素水が、超臨界水
反応の進行過程で、予想以上に消費され、不足すること
が度々生じるが、一旦、実験を開始すると、過酸化水素
水を実験途中で補充することができないので、超臨界水
反応を完結させることができないという問題があった。 （２）オートクレーブ型反応器では、超臨界水反応の正
確な始点、終点検出、及び、反応生成物中のガス成分の
捕捉等が難しく、超臨界水反応の正確なデータを採取す
ることが難しいという問題があった。 （３）また、実験の能率が悪く、一回のバッチ反応プロ
セスを遂行するのに多くの手間を要し、思うように実験
が捗らないという問題があった。

【０００６】以上のことから、超臨界水反応に適したバ
ッチ式実験装置の開発が要望されていた。そこで、本発
明の目的は、実験を効率的に進めることができる、超臨
界水反応実験に適した実験装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る超臨界水反応実験装置は、開放、密閉
自在な耐圧容器として形成され、容器壁に沿って設けら
れた発熱体と、容器内の温度が所定温度になるように発
熱体の発熱量を制御する温度制御装置とを備え、反応対
象物を収容し、温度制御装置による温度制御下で発熱体
によって所定温度に加熱、保持しながら超臨界水の存在
下で反応対象物の超臨界水反応を行い、反応生成物を流
出させる反応器と、所定温度に加熱した過酸化水素水を
反応器に供給する過酸化水素水の供給手段と、反応生成
物を冷却する冷却器と、冷却器の下流に設けられ、反応
生成物の圧力を制御する圧力制御装置と、圧力制御装置
の下流に設けられ、反応生成物を気液分離してガス成分
と液体成分とに分離する気液分離手段と、反応生成物中
の有機物量又はガス成分中の一酸化炭素を計測する計測
手段とを備えていることを特徴としている。

【０００８】本発明では、過酸化水素水の供給手段を設
け、所定温度に加熱した過酸化水素水を反応器に供給す
ることができるので、反応器に投入した有機物等の超臨
界水反応が、酸化剤の不足のために、終結しないような
ことは生じない。反応対象物である有機物は、過酸化水
素によって酸化されて、通常、二酸化炭素ガス、窒素ガ
ス、二酸化硫黄ガス等に分解する。よって、本発明で
は、反応生成物中の有機物量を計測する計測手段を設け
ることにより、反応生成物中の有機物量が設定量より低
下すれば、超臨界水反応が終点に達したと判断すること
ができる。また、ガス成分中の一酸化炭素の含有量が多
ければ、有機物の酸化により生じた一酸化炭素の少なく
とも一部が二酸化炭素に転化していないことであって、
超臨界水反応が未了であることを示すので、ガス成分中
の一酸化炭素を計測する計測手段を設けることにより、
ガス成分中の一酸化炭素が設定量より低下すれば、超臨
界水反応が終点に達したと判断することができる。

【０００９】本発明では、反応生成物の流出系統に、冷
却器及び気液分離手段を設けることにより、反応器から
流出した反応生成物を安全に採取し、容易に分析できる
ようにしている。

【００１０】本発明で設けた反応器は、温度制御付き加
熱手段を有して自己完結的（またはセルフ・サポート
的）に超臨界水反応を行うことができるので、安全弁を
反応器に設け、かつ反応器を遮断し、独立させる遮断手
段を過酸化水素水の供給管及び反応生成物の流出管に設
けることにより、反応器をオートクレーブ型反応器とし
て反応器以外の機器から独立して機能させることもでき
る。遮断手段は、反応器周りの配管から反応器を確実に
遮断できる限り、その形式には制約はないものの、例え
ば閉止板を挿入できるフランジ継ぎ手を反応器周りの配
管に設ける。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る超臨界水反応実験装置の
実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の超臨界
水反応実験装置の構成を示すフローシート、図２は反応
器周りの配管の経路を示す配管図である。本実施形態例
の超臨界水反応実験装置１０は、セミバッチ式の超臨界
水反応の実験装置であって、図１に示すように、反応器
１２と、過酸化水素水の供給系統１４と、反応生成物の
流出系統１６とから構成されている。

【００１２】反応器１２は、図２に示すように、上部開
放型圧力容器１２ａと、ボルト／ナット締結によるフラ
ンジ結合により容器１２ａの開口を閉止する蓋体１２ｂ
とから構成された、開放、密閉自在な耐圧容器であっ
て、図１に示すように、容器壁に沿って設けられた電気
抵抗発熱体１８と、反応器１２内の温度が所定温度にな
るように電気抵抗発熱体１８に流れる電流の強度を調節
する温度制御装置２０とを備えている。反応器１２は、
反応対象物を収容し、温度制御装置２０による温度制御
の下、電気抵抗発熱体１８によって５００℃〜６５０℃
の温度に加熱され、かつ後述の圧力制御弁によって高
圧、例えば２２．５ＭＰａ以上の圧力に維持されること
によって、内部に収容した水あるいは過酸化水素水中の
水が超臨界水に転化し、超臨界水の存在下で反応対象物
の超臨界水反応を行い、反応生成物を流出させる。ま
た、反応器１２は、ラプチャーディスク２１及び圧力計
２２を接続させたベント管２３を備えている。なお、ラ
プチャーディスクに変えて安全弁を用いてもさしつかえ
ない。

【００１３】過酸化水素水の供給系統１４は、過酸化水
素水を収容するタンク２４と、過酸化水素水を反応器１
２に送入する過酸化水素水ポンプ２５と、過酸化水素水
を所定温度に予熱する予熱器２６とを備えている。予熱
器２６は、コイル状の管壁に沿って設けられた電気抵抗
発熱体２８と、予熱器２６の出口で過酸化水素水の温度
が所定温度になるように電気抵抗発熱体２８に流れる電
流の強度を調節する温度制御装置３０とを備えている。

【００１４】反応生成物の流出系統１６は、反応器１２
から流出した反応生成物が流れる反応生成物流出管３１
に、順次、反応生成物を冷却する水冷却器３２と、反応
生成物の圧力を制御する自力式圧力制御弁３４と、反応
生成物を気液分離してガス成分と液体成分とに分離する
気液分離器３６とを備えている。気液分離器３６は、圧
力制御弁３４の下流の反応生成物流出管３１の下端部を
液中に浸漬させた簡易な構成の気液分離器であって、頭
部からガス成分を放出し、底部から液体成分を流出させ
ている。また、反応生成物中の有機物量を計測するＴＯ
Ｃ計３８が圧力制御弁３４の下流の反応生成物流出管３
１に設けてある。なお、ＴＯＣ計３８に代えて、又はＴ
ＯＣ計３８に加えて、気液分離器３６から出るガス成分
中の一酸化炭素を計測する一酸化炭素計を設けても良
い。

【００１５】また、反応器１２を遮断して独立させるた
めに、盲板を挿入できるフランジ継ぎ手４０、４２が、
それぞれ、図１及び２に示すように、予熱器２６の出口
の過酸化水素水供給管４４に、及び、冷却器３２の上流
の反応生成物流出管３１に設けてある。更に、開閉弁４
６、４８、５０、及び５２が、それぞれ、過酸化水素水
ポンプ２５の上流の過酸化水素水供給管４４に、ベント
管２３に、気液分離器３６のガス成分放出管に、及び気
液分離器３６の液体成分流出管に設けてある。尚、過酸
化水素水供給管４４及びベント管２３は、反応器１２の
蓋体１２ｂに取り外し自在に接続されている。

【００１６】次に、超臨界水反応実験装置１０を使用し
て超臨界水反応実験を行う第１の方法を説明する。第１
の方法は、セミバッチ方式の超臨界水反応実験であっ
て、先ず、過酸化水素水供給管４４及びベント管２３を
反応器１２の蓋体１２ｂから取り外す。次いで、蓋体１
２ｂと容器１２ａとのボルト／ナット締結によるフラン
ジ結合を分離し、続いて蓋体１２ｂを横にずらして、反
応器１２を開放し、反応対象物、および必要であれば水
を反応器１２内に投入する。反応対象物を投入した後、
蓋体１２ｂを容器１２ａに取り付け、過酸化水素水供給
管４４及びベント管２３を蓋体１２ｂに接続して、反応
器１２を超臨界水反応開始の待機状態にする。

【００１７】開閉弁４８を閉止する一方、開閉弁４６、
５０、５２を開放し、次いで反応器１２の電気抵抗発熱
体１８及び予熱器２６の電気抵抗発熱体２８にそれぞれ
通電し、冷却器３２に冷却水を通水し、続いて過酸化水
素水ポンプ２５を起動して過酸化水素水を反応器１２に
送入し、反応器１２の圧力を上げていく。次いで、過酸
化水素水を僅かずつ送入し続けながら、圧力制御弁３４
を動作させて反応器１２内の圧力を所定圧力に維持する
と、反応器１２内の温度が臨界温度を越え、反応器１２
内で超臨界水反応が開始される。

【００１８】ＴＯＣ計３８で計測した反応生成物中の有
機物の含有率が設定値より低い値に到達したら、反応器
１２内での超臨界水反応が終了したと判定し、過酸化水
素水ポンプ２５を停止して、過酸化水素水の送入を停止
し、反応１２の電気抵抗発熱体１８及び予熱器２６の電
気抵抗発熱体２８への通電を停止する。反応器１２内の
圧力が低下したら、開閉弁４６、４８、５０及び５２を
閉止し、反応器１２を放冷する。

【００１９】次に、超臨界水反応実験装置１０を使用し
て超臨界水反応実験を行う第２の方法を説明する。第２
の方法は、バッチ方式の超臨界水反応実験であって、反
応器１２をオートクレーブ型反応器として利用する方法
であって、過酸化水素水供給管４４のフランジ継ぎ手４
０及び反応生成物流出管３１のフランジ継ぎ手４２に閉
止板５４、５６（図２参照）を挿入して、反応器１２を
反応器１２周りの配管から遮断し、通常のオートクレー
ブ型反応器と同様にして超臨界水反応実験を行うことが
できる。本実施形態例では、反応器１２に電気抵抗発熱
体１８と温度制御装置２０を備えているので、通常のオ
ートクレーブ型反応器より実験上で遙に便利である。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、温度制御型加熱手段を
有する反応器と、過酸化水素水の供給手段と、反応生成
物を冷却する冷却器と、反応生成物の圧力を制御する圧
力制御装置と、反応生成物を気液分離する気液分離手段
と、反応生成物中の有機物量又はガス成分中の一酸化炭
素を計測する計測手段とを備えることにより、酸化剤を
必要なだけ供給して超臨界水反応を完結させ、かつ超臨
界水反応の終点を確認できる、セミバッチ式超臨界水反
応実験に適した超臨界水反応実験装置を実現している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例の超臨界水反応実験装置の構成を示
すフローシートである。

【図２】反応器周りに配管の経路を示す配管図である。

【符号の説明】

１０ 超臨界水反応実験装置の実施形態例 １２ 反応器 １４ 過酸化水素水の供給系統 １６ 反応生成物の流出系統 １８ 電気抵抗発熱体 ２０ 温度制御装置 ２１ ラプチャーディスク ２２ 圧力計 ２３ ベント管 ２４ タンク ２５ 過酸化水素水ポンプ ２６ 予熱器 ２８ 電気抵抗発熱体 ３０ 温度制御装置 ３１ 反応生成物流出管 ３２ 水冷却器 ３４ 自力式圧力制御弁 ３６ 気液分離器 ３８ ＴＯＣ計 ４０、４２ フランジ継ぎ手 ４４ 過酸化水素水供給管 ４６、４６、４８、５０、５２ 開閉弁 ５４、５６ 閉止板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開放、密閉自在な耐圧容器として形成さ
   れ、容器壁に沿って設けられた発熱体と、容器内の温度
   が所定温度になるように発熱体の発熱量を制御する温度
   制御装置とを備え、反応対象物を収容し、温度制御装置
   による温度制御下で発熱体によって所定温度に加熱、保
   持しながら超臨界水の存在下で反応対象物の超臨界水反
   応を行い、反応生成物を流出させる反応器と、 所定温度に加熱した過酸化水素水を反応器に供給する過
   酸化水素水の供給手段と、 反応生成物を冷却する冷却器と、 冷却器の下流に設けられ、反応生成物の圧力を制御する
   圧力制御装置と、 圧力制御装置の下流に設けられ、反応生成物を気液分離
   してガス成分と液体成分とに分離する気液分離手段と、 反応生成物中の有機物量又はガス成分中の一酸化炭素を
   計測する計測手段とを備えていることを特徴とする超臨
   界水反応実験装置。
2. 【請求項２】 安全弁またはラクチャーディスクが反応
   器に設けられ、かつ、 反応器を遮断し、独立させる遮断手段が、過酸化水素水
   の供給手段によって過酸化水素水を反応器に供給する過
   酸化水素水供給管に、及び反応器から反応生成物を流出
   させる反応生成物流出管にそれぞれ設けられていること
   を特徴とする請求項１に記載の超臨界水反応実験装置。