JP2001524026A - 流体力学的キャビテーションを利用して音響化学反応及びプロセスを行う方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体力学的な液体の流れに局所的狭窄部を形成するための少なくとも１つの要素（１０７）を内部に含む流通路（１０１）内に、所定の速度で流体力学的な液体の流れを通過させて、大規模液体媒質容積において音響化学反応及びプロセスを行う方法及び装置が開示される。局所的狭窄部における液体流れの速度は、少なくとも16m/secである。局所的狭窄部の下流には、流体力学的キャビテーション空洞（１２０）が形成され、これによりキャビテーション気泡が発生する。キャビテーション気泡は、液体流れと共に流通路からの出口へ移動するものであり、液体流れの静圧は、少なくとも0.85kg/cm²まで上昇する。次いで、静圧上昇領域においてキャビテーション気泡が収縮することにより、音響化学反応及びプロセスが開始する。少なくとも１つの要素は、流体力学的な液体流れに局所的狭窄部を形成する壁体であってもよく、あるいは、液体流れに局所的狭窄部を形成するための少なくとも１つの移送路を含むバッフル（１０５）であってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 流体力学的キャビテーションを利用して音響化学反応及びプロセスを行う方法 及び装置 技術分野 本発明は、水性及び非水性の液体ベースの媒質、とりわけ大規模容積の媒質内 で音響化学反応及びプロセスを行う方法及び装置に関し、より詳しくは、音響化 学反応及びプロセスを行うために流体力学的キャビテーション効果を利用する方 法及び装置に関する。 背景技術 超音波振動の影響下で、速度や最終生成物の収率が本質的に変化する化学反応 が多数存在することは、これまでにも広く知られている。 また、超音波振動の影響下でのみ進行する化学反応も多数存在する。水性及び に非水性の液体ベースの媒質においても、類似の反応を実現しうる。そのような 類似反応の実現にとって大事な要件は、液体媒質に超音波振動を与えることであ る。このような化学反応はいずれも、音響化学反応として分類されるものである 。多年の調査及び多数の研究報告（Timothy J.Mason,“Advances in Sonochemis try”,Volume 3,1993.292p.,JAI Press Inc.）から、音響化学反応の開始源は、 液体ベースの媒質が超音波振動により内部拡散する際に、該媒質内に発生するキ ャビテーション気泡であることが判明している。 キャビテーション気泡が収縮する際、局所的に著しく高圧・高温な状態となる 。幾つかの推算によれば、気泡内の温度は、5000℃程度に達し、圧力は、ほぼ50 0kg/cm²に達する(K.S.Sustick,Science.Vol.247,23 March 1990,pgs.1439-1445) 。このような高温・高圧により、気泡表面の気相及び気泡内部の気相にお いて、各種化学反応の進行が刺激される。 すべての音響化学反応及びプロセスに共通することは、液体ベースの媒質内に キャビテーション気泡を発生させるために、該媒質に原則的に超音波振動を与え る点にある。ソノケミストリーにおいて使用される基本的な装置は、種々に設計 された超音波装置として具現される。 音響化学反応を行う前記方法は、小容積液体の処理には十分効果的であり、実 験室における研究レベルで、主な利用例が見出されている。しかしながら、工業 的に使用される大規模な容積への移行は、極めて困難であり、ときとして不可能 ですらある。これは、超音波振動の利用により発生するキャビテーションをスケ ールアップする際に生じる、諸問題に関係する。 しかしながら、音響化学反応の開始剤である良質のキャビテーション気泡を、 流体力学的に発生させることにより、上記問題点を解消することが可能である。 音響化学反応を行うために流体力学的キャビテーションを利用する例は、Pandit A.B.とMoholkar V S.とによる研究、“Harness Cavitation to Improve Proces sing”Chemical Engineering Progress,July 1996,pgs.57-69に記載されている 。 しかしながら、流体力学的キャビテーションを利用して音響化学反応を実現さ せる上記方法は、有効ではない。前記著者自身が注記しているように、彼らが見 出した問題の一つは、流体力学的流れにおけるエネルギー利用が無効であった。 不適当なレジーム（regime；様式、特徴的挙動）の流体力学的キャビテーション を利用することは、音響化学反応の強度を低下させ、媒質の加熱の程度を増大さ せることになる。 本発明において、とりわけ大規模容積の液体ベースの媒質に関し、音響化学反 応及びプロセスを行うために提唱される方法は、最適な流体力学的キャビテーシ ョンレジームの利用を可能にし、プロセスの実施に必要なエネルギー消費を削減 することも可能にするものである。 本発明は、最適な流体力学的キャビテーションレジームを利用し、プロセスの 実施に必要なエネルギー消費を削減させて、とりわけ大規模容積の液体ベースの 媒質において、音響化学反応及びプロセスを行うための新規且つ改良された方法 及び装置を意図するものであり、構成が簡単で、有効に使用でき、前述の問題点 及び他の問題点を解消する一方で、全体的に良好且つ有利な結果をもたらすもの である。 発明の開示 本発明によれば、音響化学反応及びプロセスを行う新規且つ改良された方法及 び装置が提供され、該方法及び装置は、大規模容積の液体ベースの媒質に適用可 能であり、最適な流体力学的キャビテーションレジームの利用を可能にし、音響 化学反応及びプロセスの実施に必要なエネルギー消費を削減し得る。 更に詳しくは、大規模な容積の液体媒質において音響化学反応及びプロセスを 行う本発明方法は、少なくとも１つの要素を内部に含む通路内に、或る速度で流 体力学的な液体の流れを通過させ、そのことにより流体力学的な液体の流れにお いて局所的狭窄部を発生させる工程を含む。また本発明の方法は、流体力学的な 液体流れに局所的狭窄部が設けられるとき、流体力学的な液体流れの速度を少な くとも16m/sec（52.5ft/sec）に維持する工程と、流体力学的な液体流れの局所 的狭窄部の下流に、流体力学的なキャビテーション空洞を形成することにより、 キャビテーション気泡を発生させる工程とを更に含む。該キャビテーション気泡 は、流体力学的な液体の流れと共に、流通路からの出口へ移動し、流体力学的な 液体の流れは静圧を有する。更に本発明方法は、流通路出口又はパイプライン内 において該流通路から若干離れた位置に、局所的液圧抵抗（local hydraulic re sistance）からなる流体力学的制限を設けることにより、流通路からの出口にお いて、流体力学的な液体流れの静圧を、少なくとも0.85kg/cm²（12psi）まで上 昇させ、静圧上昇領域を形成する工程、及び該静圧上昇領域においてキャビテー ション気泡の収縮を開始する工程を含む。 本発明の一態様によれば、大規模容積の液体媒質において音響化学反応及びプ ロセスを行うための装置には、該流体力学的な液体流れに局所的狭窄部を与える 少なくとも１つの要素を内部に含有する、流体力学的な液体の流れを通過させる 流通路、出口を有する流通路、該流通路内にあって流体力学的な液体の流れにお ける局所的狭窄部の下流に存在しキャビテーション気泡を発生させる流体力学的 キャビテーション空洞、流通路の出口に機能的に接続されたパイプライン、並び に局所的液圧抵抗が含まれる。 本発明の利点の一つは、流体力学的キャビテーションを利用して音響化学反応 及びプロセスを行う方法を、とりわけ大規模容積の液体ベースの媒質に導入する ことにあり、このことにより、工業規模での音響化学的利用への移行が可能にな る。 本発明の他の利点は、大規模容積の液体ベースの媒質において音響化学反応及 びプロセスを行う方法が、本発明によれば、液体流れにおける局所的狭窄部を有 し、且つ、該狭窄部において16m/sec（52.5ft/sec）以上の液体流れ速度を維持 する部分を内部に一箇所以上含む流通路内に、流体力学的な液体の流れを通過さ せることからなる点にある。局所的狭窄部の下流において、キャビテーション気 泡を発生させるキャビテーション空洞が形成され、該キャビテーション気泡は液 体流れと共に流通路出口へ向かって移動する。パイプライン内の流通路出口又は 該出口から若干離れた位置に、局所的な流体力学的制限を設けることにより、液 体流れにおける静圧は、0.85kg/cm²（12psi）以上まで上昇する。流れの静圧が 上昇することにより、キャビテーション気泡の収縮が開始する。本発明による方 法は、流通路内部に液体流れの局所的狭窄部を設けること、すなわち流通路壁の 内側に壁体を設けること、あるいは１又は複数の移送路を有する仕切を流通路内 に設けることを含む。このような流通路により、液体流れの局所的狭窄部が形成 される。尚、流れの局所的狭窄部は、該狭窄部の断面積が該流通路断面積の0.6 以下となるように形成される。 本発明の他の利点は、キャビテーション気泡が収縮する際に放出されるエネル ギーを利用して、水性及び非水性の液体ベースの媒質内で音響化学反応を行わせ る点にある。気泡は、超音波振動を利用せずに流体力学的手法により形成される 。 本発明の他の利点は、キャビテーション気泡が収縮する場を形成する現在の方 法に係るあらゆる主要な種類の音響化学反応が、非常に大容積の液体ベースの媒 質において実現される点にある。 該プロセスは以下のように進行する。１乃至10m/secの速度で流れる液体媒質 が流通路内に供給される。局所的流れ狭窄領域において、前記速度は16m/secま で上昇する。この速度上昇により、局所的狭窄部の下流の流れに流体力学的キャ ビテーション空洞が発生する。該キャビテーション空洞は蒸発液体による蒸気で 満たされるているが、この液体内に存在する気体も含んでいる。これにより、通 常0.01乃至0.2kg/cm²程度の低圧な蒸気−気体が空洞部に入るのが助長される。 第１のキャビテーション空洞は非定常であり、所定の固有振動数で耐えず脈動し 、大容積のキャビテーション気泡を液体の流れの中に放出する。気泡内の蒸気− 気体の圧力は、気泡生成の瞬間においては、主キャビテーション空洞の圧力にほ ぼ等しい。前記気泡は、第２のキャビテーション形態として出現する。該気泡は 液 体の流れの中で、流通路からの出口へ向かって移送される。流通路出口又はその 直後のパイプライン内に局所的液圧抵抗を設けた構成により、流通路のこの部分 において、上昇した静圧（0.85kg/cm²以上）領域が生じる。キャビテーション気 泡は、上昇した静圧領域へ進入し、瞬時に断熱収縮する。気泡の収縮時間は、ほ ぼ10^-6乃至10^-8秒であり、この長さは気泡の初期寸法及び気泡を取り巻く液体の 静圧に依存する。キャビテーション気泡の収縮速度は、300乃至1000m/sec程度に 達する。収縮の最終段階において、温度上昇は、前記速度の気泡内部において10¹⁰ 乃至10¹¹K/secに達する。収縮する気泡内部に前記蒸気−気体混合物が存在す る状況で、キャビテーション気泡は、ほぼ1,000乃至5,000kg/cm²の圧力下で、ほ ぼ3,000乃至15,000℃の温度まで加熱される。キャビテーション気泡内部におけ るこのような物理的条件下で、蒸気−気体状態で存在する物質間で各種の化学反 応が進行する。また気泡収縮の最終段階において、層厚がほぼ0.1乃至0.4高分子 （macromolecules）である液球体内の気泡近傍も加熱される。この液層が加熱さ れる温度は、気泡内部の蒸気−気体相温度の30乃至40％程度である。気泡界面に おける圧力は、気泡内部の圧力に等しい。液相と気泡の界面において得られる物 理的パラメーター（圧力及び温度）は、液相における熱分解プロセスの進行に十 分申し分のないものである。各キャビテーション気泡は、「自律系」として作用 する。 流通路室出口において静圧を増加させることにより、収縮の最終段階において 、その内部で温度を上昇させることが可能である。本発明方法に関する他の重要 な事項は、液体流れ又は流体力学的キャビテーション空洞空間へ気体成分を供給 することにより、キャビテーション気泡内において気体を量的にも質的にも制御 することが可能な点にある。すなわち、各気泡内へ、予め選定された物理特性を 有する同一量の気体又は気体混合物が意図的に供給される。このことにより、化 学反応の制御が可能になると共に、反応の結果得られると予測される量の生成物 を製造することが可能になる。超音波振動により発生させたキャビテーション気 泡 に、予め選定された量の気体成分を供給することは、実用的には不可能である点 が注目されるべきである。超音波（音響）キャビテーションの場合には、キャビ テーション気泡内への気体成分の流入は、音響場における気泡の脈動により誘発 された非制御直線拡散によるものである。すなわち、液体流れ内に又は直接キャ ビテーション空洞内に気体を供給する構成においては、音響化学反応を制御する ための補助的な計器を具有することが可能である。更には、局所的液圧抵抗が、 例えばゲート弁やコックにより調節可能に構成される場合、キャビテーション気 泡収縮領域における静圧を広範囲で変化させることにより音響化学反応を制御す ることも可能である。幾つかの例においては、該領域の圧力を30kg/cm²以上に上 昇することが可能である。 便宜的に、局所的流れ狭窄部の下流に、上昇した静圧下で存在しうる安定なキ ャビテーション空洞を形成させる場合、局所的流れ狭窄部の断面積は、流通路出 口の断面積の0.6よりも小さい。尚、流通路出口における上昇した静圧下では、 局所的流れ狭窄部断面積の大きさは減少する。 流通路は、円形、矩形、正方形、多角形、あるいは他の好適な形状を有する。 キャビテーション気泡収縮領域を通過する液体は、流通路から局所的液圧制限 部及びパイプラインへ送られる。便宜的に、液体流れを流通路に再循環させるこ とにより、液体流れは何度もキャビテーションの影響を受ける。この構成により 液体媒質中における生成物反応のローディングが助長される。また音響化学反応 の応用範囲は、液体流れ内に又は直接キャビテーション空洞空間内に、数種の気 体成分を混合物としてあるいは各々別個に供給することにより拡張することが可 能である。そのような拡張用途においても、音響化学反応は気泡内で制御される 。流体力学的な液体流れは直接的に、２又はそれ以上の液体成分の混合物からな るものであってよく、そのような液体成分としては複数成分の１つに可溶な１液 体、 あるいは例えばエマルジョンのように相互に不溶な液体等が挙げられる。更に、 液体媒質を処理する本発明方法においては硬質材料粒子も見出されており、該粒 子は反応物の１つとして存在するか触媒機能を呈するものである。また、液体流 れに存在する数種の硬質成分の粒子もある。これらすべては、音響化学の実用的 な利用範囲を拡張するものである。 本発明の他の長所及び利点は、以下の詳細な説明を読み、理解することにより 、当該技術分野の通常の技能を有する者には、明らかとなる。 図面の簡単な説明 本発明は、幾つかの部分及びその組み合わせにおいては物理的な形態をとり、 その好適な態様は、この明細書において詳細に説明され、この文書の一部をなす 添付の図面に図示される。 図１は、壁体（bluff body）及び調節不能な局所的液圧抵抗を含み、本発明に おいて請求される方法を実施する装置の縦断面図である。 図２は、ベンチュリ管の形をした移送路を有するバッフル及び調節可能な局所 的液圧抵抗を含む、本発明において請求される方法を実施する装置の縦断面図で ある。 図3A乃至3Fは、各種形状の壁体から形成された図１に係る装置における局所的 流れ狭窄部の破断縦断面図である。 図4A乃至4Fは、各種形状の１又は数種の流通路を具有するバッフルから形成さ れた図２に係る装置における局所的流れ狭窄部の破断縦断面図である。好適な態様の説明 ここで図面について説明するが、図示は本発明の好適な態様を例解することの みを目的とするものであり、本発明を限定することを目的とするものではない。 図１は、装置16の縦断面を示すものであり、該装置は流通路１を含み、流通路１ は入口２、出口３及び局所的液体流れ狭窄部４を有する。流通路１からの出口３ において、局所的液圧抵抗５が設けられている。出口３はパイプライン６に連結 している。局所的流れ狭窄部４は、壁体７の中心線CLに沿ってあるいはその近傍 で流通路１内部に形成され配置されており、前記壁体７は好ましくは錐形である 。壁体７は軸（stem）８上に配置されており、該軸８はオリフィス９を有する円 板11と連結している。オリフィス９を有する円板11は、入口２に取り付けられ、 流通路１内部に壁体７を保持している。オリフィス９を有する円板11の位置に、 クロスヘッド、柱、プロペラ、あるいは僅かな圧力損失を生じさせるその他の取 付け具を使用することが可能である。局所的液圧抵抗５は、局所的流れ狭窄部の 第２の要素として調節不能に構成される。該抵抗５の形状は、オリフィス10を有 する円板12である。円板12におけるオリフィス10の数は、変更可能である。局所 的液圧抵抗５におけるオリフィス10の大きさは、該局所的液圧抵抗５に至る前に 、液体流れにおける静圧が、典型的には少なくとも0.85kg/cm²（12psi）である 静圧となるように選択される。一方、液体流れにおける局所的狭窄部４の大きさ は、該局所的狭窄部４の断面積が流通路１の断面積の0.6どまりとなるように設 計される。矢印Ａで表示される方向に沿って入口２を通過する流体力学的液体流 れは、壁体７周囲を流動する。この状況下で、液体流れは局所的流れ狭窄部４を 通過し、この狭窄部において液体流れの速度は流体力学的液体の物理的性質に依 存する最小速度まで増加する。平均的に、また殆どの流体力学的液体において、 最小速度は16m/sec（52.5ft/sec）以上である。壁体７を超えると、流体力学的 キャビテーション空洞20が形成され、ここでキャビテーション気泡が発生する。 気泡は液体流れによって流通路１から出口３へ運ばれる。流通路１からの出口３ に局所的液圧抵抗５が設けられていることにより、流通路１のこの 位置において、静圧上昇領域30が、0.85kg/cm²(12psi）あるいはそれ以上になる 。静圧上昇領域30に到達すると、気泡は収縮し、局所的高圧（5,000kg/cm²に至 る）及び高温（15,000℃に至る）が発生する。液体中のこのような物理条件下で 、気泡界面及び気泡内部の気相において、酸化、分解、合成等の化学反応が進行 する。気泡収縮領域を通過した後、液体媒質は出口３及びパイプライン６を通っ て流通路１外へ運ばれる。瞬間的なキャビテーション効果の後に、液体媒質がそ の影響を被るようにすることも可能である。 図２は、本発明方法の実施を目的とする装置116の別の設計を示すものである 。 装置116において、出口102に続いてバッフル107が流通路１内部に配置されて おり、該バッフルは自身の内部に移送路104を有する。このバッフルはベンチュ リ管として構成される。前記移送路104は、液体流れに局所的狭窄部を形成する ものである。装置116は、調節可能な局所的液圧抵抗105を有する。調節可能な局 所的液圧抵抗105の動作に関しては、出口103から若干離れた位置に設置された弁 150が使用され、また出口103にはパイプライン106が連結されている。 矢印Ｂで示される方向に沿って移動する流体力学的液体流れは、少なくとも16 m/sec（52.5ft/sec）の速度で移送路104を通過する。バッフル107通過後、キャ ビテーション空洞120が形成され、渾然としたキャビテーション気泡が発生する 。弁150を利用することにより、流通路101からの出口103において流れの静圧が 上昇する。調節可能な局所的液圧抵抗105を使用することにより、キャビテーシ ョン気泡収縮領域130における静圧の大きさの切り替えが可能になり、同時に化 学反応の進行に係る各種条件が制御される。 キャビテーション気泡場に必要な構造を制御及び特定するために、壁体７は多 様な形状を採りうるものであり、その例が図3A乃至3Fに示されている。移送路 104は、バッフル107内に局所的流れ狭窄部を発生させる各種形状を採りうるもの であり、その例が図4A乃至4Fに示されている。更に、小容積の液体を処理する場 合、あるいは十分大きな硬質材料粒子を含有する液体媒質を処理する場合におい ても、このような局所的流れ狭窄部の形状（図２及び図4A乃至4F）を採用するこ とは好ましい。 図１及び２について、流通路101の形状は、本質的にはプロセス効率に影響を 与えない。しかしながら、その製造性の見地から、当該方法を実現する装置を作 製する際には、円形、矩形又は多角形の流通路101を採用することが好ましい。 また流通路101の断面は、例えば半円のように１つの直線部と円形又は不規則形 状断面とを有する断面であってもよい。 液体はポンプ（図示せず）を利用して装置116に供給される。選ばれるポンプ の種類は、ポンプで供給可能な媒質の物理化学特性及びプロセス遂行に必要な流 体力学的パラメーターに基づき決定される。 当該装置を使用して当該方法を実現する数種の実施例を、以下、実施例１及び ２に示す。 実施例１ 温度76°Ｆのｎ＝ヘプタン５Ｌ（リットル）を３分にわたって図１に示される 装置116に供給する。局所的狭窄部４における流れの速度は93.8m/secである。局 所的流れ狭窄部４の断面積は、流通路１断面積の0.12を占める。流通路出口３に おける圧力は、1.27kg/cm²であった。 処理前及び処理後３分経ったｎ−ヘプタン試料の質量分析法による解析結果を 表１に示す。 実施例２ 図２に示すように、フェノール12ppmを含有する温度68°Ｆの水200Ｌを、10分 にわたって装置116に供給した。移送路104における流れの速度は、16.8m/secで ある。移送路104断面積は、流通路101断面積の0.62である。流通路101出口103に おける圧力は、0.88kg/cm²（12.5psi）であった。上記条件で10分間処理した後 の水をガスクロマトグラフ分析した結果、フェノール濃度が５ppmに減少してい ることが判明した。 図１について、本発明による方法は、例えば壁体７のような少なくとも１つの 要素を内部に含み、液体流れの局所的狭窄部４を有し、該狭窄部において少なく とも16m/sec（52.5ft/sec）の速度を維持する流通路１内に、流体力学的流れと して液体ベースの媒質を通過させることに帰結する。 キャビテーション空洞20は、局所的流れ狭窄部４の下流に形成され、該キャビ テーション空洞はキャビテーション気泡を発生させ、該気泡は液体流れと共に流 通路１から出口３へ移動する。出口３又は流通路１を出たパイプライン６内の 出口３から若干離れた位置に、局所的液圧抵抗５を設けることにより、液体流れ における静圧は増加して、0.85kg/cm²（12psi）以上となる。流れの静圧が上昇 することにより、キャビテーション気泡の収縮が開始する。局所的流れ狭窄部は 、壁体７の中心線CLに沿ってあるいはその近傍で、流通路１内に形成され配置さ れる。また図２についても、流通路101内部にバッフル107と共に形成され配置さ れた局所的流れ狭窄部は、バッフル内に１又は複数の移送路104を有する。バッ フル107内の移送路104は、液体流れに局所的狭窄部を形成する。 図１について、流れの局所的狭窄部４は、流れの局所的狭窄部４の断面積が、 流通路１の断面積の0.6どまりとなるように構成される。 キャビテーション気泡収縮領域を通過する液体は、流通路１から局所的液圧抵 抗５及びパイプライン６へ送られる。便宜的に、液体流れを流通路１に再循環さ せることにより、流体流れは何度もキャビテーションの影響を受ける。これによ って液体媒質中の生成物反応のローディングが助長される。また音響化学反応の 利用範囲は、液体流れ内に又は直接キャビテーション空洞20の空間に、数種の気 体成分を混合物としてあるいは各々別個に供給することによって拡張しうる。そ の場合も、気泡内の音響化学反応は制御可能である。流体力学的な液体流れは直 接的に、エマルジョンのように互いに不溶な液体あるいは複数成分の１つに可溶 な１液体等、２又はそれ以上の液体成分からなる混合物として構成しうる。更に 、液体媒質を処理する本発明方法においては、固体又は高粘性液体の特性を呈す る粒子のような硬質材料粒子も見出されており、該粒子は反応物の一方として存 在するか、触媒機能を呈するものである。また液体流れ中に存在する複数硬質材 料の粒子も存在する。これらはすべて、音響化学の実用的応用範囲を拡張させる 。 局所的液圧抵抗５は、音響場における気泡の脈動によって誘発された直線拡散 の場合と同様に、調節不能である。しかしながら、局所的液圧抵抗５は、例えば 図２に見られるような弁150を利用することにより調節可能になり、キャビテー ション気泡内の静圧を変更することによって音響化学反応を制御することができ る。弁150により生じる流体力学的液体流れにおける第２の局所的狭窄部は、音 響化学反応を実現させるために要求される仕様及び要件に見合うように予め幾何 学的寸法が好適に設定されている。 以上、好適な態様を説明してきた。上記方法には、本発明の全体的な範囲から 逸脱することなく変更及び修正を組み入れる余地があることは当業者にとっては 自明であると思われる。そのような変更及び修正が添付の請求の範囲内にある限 りは、そのようなすべての変更及び修正並びにそれらと等価なものを含むものと する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年６月３０日（１９９９．６．３０） 【補正内容】発明の開示 本発明によれば、音響化学反応及びプロセスを行う新規且つ改良された方法及 び装置が提供され、該方法及び装置は、大規模容積の液体ベースの媒質に適用可 能であり、最適な流体力学的キャビテーションレジームの利用を可能にし、音響 化学反応及びプロセスの実施に必要なエネルギー消費を削減し得る。 更に詳しくは、大規模な容積の液体媒質において音響化学反応及びプロセスを 行う本発明方法は、少なくとも１つの要素を内部に含む通路内に、或る速度で流 体力学的な液体の流れを通過させ、そのことにより流体力学的な液体の流れにお いて局所的狭窄部を発生させる工程を含む。また本発明の方法は、流体力学的な 液体流れに局所的狭窄部が設けられるとき、流体力学的な液体流れの速度をほぼ 16m/sec（52.5ft/sec）か又はそれよりも大きい速度に維持する工程と、流体力 学的な液体流れの局所的狭窄部の下流に、流体力学的なキャビテーション空洞を 形成することにより、キャビテーション気泡を発生させる工程とを更に含む。該 キャビテーション気泡は、流体力学的な液体の流れと共に、流通路からの出口へ 移動し、流体力学的な液体の流れは静圧を有する。更に本発明方法は、流通路出 口又はパイプライン内において該流通路から若干離れた位置に、局所的液圧抵抗 （local hydraulic resistance）からなる流体力学的制限を設けることにより、 流通路からの出口において、流体力学的な液体流れの静圧を、少なくとも0.85kg /cm²（12psi）まで上昇させ、静圧上昇領域を形成する工程、及び該静圧上昇領 域においてキャビテーション気泡の収縮を開始する工程を含む。 本発明の一態様によれば、大規模容積の液体媒質において音響化学反応及びプ ロセスを行うための装置には、該流体力学的な液体流れに局所的狭窄部を与える 少なくとも１つの要素を内部に含有する、流体力学的な液体の流れを通過させる 流通路、出口を有する流通路、該流通路内にあって流体力学的な液体の流れにお ける局所的狭窄部の下流に存在しキャビテーション気泡を発生させる流体力学的 キャビテーション空洞、流通路の出口に機能的に接続されたパイプライン、並び に局所的液圧抵抗が含まれる。 本発明の利点の一つは、流体力学的キャビテーションを利用して音響化学反応 及びプロセスを行う方法を、とりわけ大規模容積の液体ベースの媒質に導入する ことにあり、このことにより、工業規模での音響化学的利用への移行が可能にな る。 本発明の他の利点は、大規模容積の液体ベースの媒質において音響化学反応及 びプロセスを行う方法が、本発明によれば、液体流れにおける局所的狭窄部を有 し、且つ、該狭窄部において16m/sec（52.5ft/sec）以上の液体流れ速度を維持 する部分を内部に一箇所以上含む流通路内に、流体力学的な液体の流れを通過さ せることからなる点にある。局所的狭窄部の下流において、キャビテーション気 泡を発生させるキャビテーション空洞が形成され、該キャビテーション気泡は液 体流れと共に流通路出口へ向かって移動する。パイプライン内の流通路出口又は 該出口から若干離れた位置に、局所的な流体力学的制限を設けることにより、液 体流れにおける静圧は、0.85kg/cm²（12psi）以上まで上昇する。流れの静圧が 上昇することにより、キャビテーション気泡の収縮が開始する。本発明による方 法は、流通路内部に液体流れの局所的狭窄部を設けること、すなわち流通路壁の 内側に壁体を設けること、あるいは１又は複数の移送路を有する仕切を流通路内 に設けることを含む。このような流通路により、液体流れの局所的狭窄部が形成 される。尚、流れの局所的狭窄部は、該狭窄部の断面積が該流通路断面積の0.6 以下となるように形成される。 当該装置を使用して当該方法を実現する数種の実施例を、以下、実施例１及び ２に示す。 実施例１ 温度76°Ｆ（２４℃）のｎ−ヘプタン５Ｌ（リットル）を３分にわたって図１ に示される装置116に供給する。局所的狭窄部４における流れの速度は93.8m/sec である。局所的流れ狭窄部４の断面積は、流通路１断面積の0.12を占める。流通 路出口３における圧力は、1.27kg/cm²であった。 処理前及び処理後３分経ったｎ−ヘプタン試料の質量分析法による解析結果を 表１に示す。 実施例２ 図２に示すように、フェノール12ppmを含有する温度68°Ｆ（２０℃）の水200 Ｌを、10分にわたって装置116に供給した。移送路104における流れの速度は、16 .8m/secである。移送路104断面積は、流通路101断面積の0.62である。流通路101 出口103における圧力は、0.88kg/cm²（12.5psi）であった。上記条件で10分間処 理した後の水をガスクロマトグラフ分析した結果、フェノール濃 度が５ppmに減少していることが判明した。 16. 前記少なくとも１つの要素が、 前記流通路の壁と共同して前記流体力学的な液体の流れにおける前記局所的狭 窄部を形成するために、前記流通路の中心線沿い又はその近傍に配置される壁体 を備える請求項12に記載の装置。 17. 前記少なくとも１つの要素が、 前記流体力学的な液体の流れに前記局所的狭窄部を形成するために前記流通路 内に配置され、少なくとも１つの移送路を有するバッフルを備える請求項12に記 載の装置。 18. 前記流通路が断面を有し、前記断面の形状がほぼ円形である請求項12に記 載の装置。 19. 前記流通路が断面を有し、前記断面が少なくとも１つの直線部を有する請 求項12に記載の装置。 20. 前記流通路が断面を有し、前記断面の形状がほぼ多角形である請求項12に 記載の装置。 21. 前記流通路が断面を有し、前記断面の形状がほぼ矩形である請求項20に記 載の装置。 22. 前記局所的液圧抵抗が、所定の幾何学的寸法により、前記流体力学的な液 体の流れの第２の局所的狭窄部を形成するものである請求項14に記載の装置。 23. 前記局所的液圧抵抗が、変化する寸法により、前記流体力学的な液体の流 れの第２の局所的狭窄部を形成するものである請求項15に記載の装置。 24. 前記局所的液圧抵抗には弁が含まれる請求項15に記載の装置。 25. 前記流体力学的な液体の流れに少なくとも１つの気体成分を供給する供給 手段を更に含む請求項12に記載の装置。 26. 前記流体力学的キャビテーション空洞に少なくとも１つの気体成分を供給 する供給手段を更に含む請求項12に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 流通路内に所定の速度で流体力学的な液体の流れを通過させる工程を含み、 大規模容積の液体媒質に関して音響化学反応及びプロセスを行う方法において、 前記流体力学的な液体の流れに局所的な狭窄部を設けるために、前記流通路内 に少なくとも１つの要素を配置する工程と、 前記流体力学的な液体の流れの前記局所的な狭窄部における前記流体力学的な 液体の流れの速度を最小速度に維持する工程と、 前記流体力学的な液体の流れの前記局所的な狭窄部の下流に流体力学的なキャ ビテーション空洞を形成することにより、キャビテーション気泡を発生させる工 程であって、前記キャビテーション気泡が前記流体力学的液体の流れと共に前記 流通路から出口へと移動し、前記流体力学的液体の流れが静圧を有する工程と、 前記流通路の出口又はパイプライン内における前記流通路から若干離れた位置 に、局所的液圧抵抗からなる流体力学的制限を設けることにより、前記流体力学 的な液体の流れにおける前記静圧を、前記流通路からの出口において最小限圧力 まで上昇させることにより、静圧上昇領域を形成する工程と、 前記静圧上昇領域においてキャビテーション気泡の収縮を開始する工程と から成ることを特徴とする方法。 2. 前記流体力学的な液体の流れの前記最小速度が少なくとも16m/sec（52.5ft/ sec）である請求項１に記載の方法。 3. 前記流通路からの前記出口における前記流体力学的な液体の流れの前記最小 限静圧が少なくとも0.85kg/cm²（12psi）である請求項１に記載の方法。 4. 前記流通路内に少なくとも１つの要素を配置する前記工程が、 前記流通路の中心線沿い又はその近傍に壁体を配置して、この壁体と前記流通 路の壁とにより、前記流体力学的液体の流れの前記局所的狭窄部を形成する工程 を含む請求項１に記載の方法。 5. 前記流通路内に少なくとも１つの要素を配置する前記工程が、 前記流体力学的な液体の流れの局所的狭窄部を形成する少なくとも１つの移送 路を有するバッフルを前記流通路内に配置する工程を含む請求項１に記載の方法 。 6. 前記流体力学的な液体の流れに少なくとも１つの気体成分を供給する工程を 更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 7. 前記少なくとも１つの気体成分が前記流体力学的キャビテーション空洞に送 られる請求項６に記載の方法。 8. 前記流通路及び前記流体力学的な液体の流れの局所的狭窄部を通過した液体 容積を再循環させる工程を更を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 9. 前記流体力学的な液体の流れに硬質材料粒子を供給する工程を更に含むこと を特徴とする請求項１に記載の方法。 10．前記局所的液圧抵抗の幾何学的寸法を予め設定することにより、前記流体力 学的な液体の流れにおける第２の局所的狭窄部を形成する工程を更に含むことを 特徴とする請求項１に記載の方法。 11．前記局所的液圧抵抗の寸法を変更することにより、前記流体力学的な液体の 流れにおける第２の局所的狭窄部を形成する工程を更に含むことを特徴とする請 求項１に記載の方法。 12．流体力学的な液体の流れを通過させるための流通路を含み、前記流通路が断 面積及び出口を有するものであって、大規模容積の液体媒質に関して音響化学反 応及びプロセスを行う装置において、 前記流体力学的な液体の流れに局所的な狭窄部を形成するために、前記流通路 内に配置される少なくとも１つの要素と、 前記流通路内において、前記流体力学的な液体の流れにおける前記局所的狭窄 部の下流にあって、キャビテーション気泡を発生させるための流体力学的キャビ テーション空洞と、 前記流通路の前記出口と機能的に連絡するパイプラインと、 局所的液圧抵抗と を有することを特徴とする装置。 13．前記流体力学的な液体の流れにおける前記局所的狭窄部が、前記流通路の断 面積の0.6よりも小さな断面積を有する請求項12に記載の装置。 14．前記局所的液圧抵抗が調節不能である請求項12に記載の装置。 15．前記局所的液圧抵抗が調節可能である請求項12に記載の装置。 16．前記少なくとも１つの要素が、 前記流通路の壁と共同して前記流体力学的な液体の流れにおける前記局所的狭 窄部を形成するために、前記流通路の中心線沿い又はその近傍に配置される壁体 を備える請求項12に記載の装置。 17．前記少なくとも１つの要素が、 前記流体力学的な液体の流れに前記局所的狭窄部を形成するために前記流通路 内に配置され、少なくとも１つの移送路を有するバッフルを備える請求項12に記 載の装置。 18．前記流通路が断面を有し、前記断面の形状がほぼ円形である請求項12に記載 の装置。 19．前記流通路が断面を有し、前記断面が少なくとも１つの直線部を有する請求 項12に記載の装置。 20．前記流通路が断面を有し、前記断面の形状がほぼ多角形である請求項12に記 載の装置。 21．前記流通路が断面を有し、前記断面の形状がほぼ矩形である請求項20に記載 の装置。 22．前記局所的液圧抵抗が、所定の幾何学的寸法により、前記流体力学的な液体 の流れの第２の局所的狭窄部を形成するものである請求項14に記載の装置。 23．前記局所的液圧抵抗が、変化する寸法により、前記流体力学的な液体の流れ の第２の局所的狭窄部を形成するものである請求項15に記載の装置。 24．前記局所的液圧抵抗には弁が含まれる請求項15に記載の装置。 25．前記流体力学的な液体の流れに少なくとも１つの気体成分を供給する供給手 段を更に含む請求項12に記載の装置。 26．前記流体力学的キャビテーション空洞に少なくとも１つの気体成分を供給 する供給手段を更に含む請求項12に記載の装置。 27．前記流体力学的な液体の流れが、複数の液体の混合物から成る請求項12に記 載の装置。