JP2005074279A - 超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理材の一定量を流体蒸気に分散させると共に反応機関におけるシート部等で噛み込みが生じることなく被処理材を導入できる超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法を提供することである。
【解決手段】シリンダ２と圧縮プランジャ４とからなり、圧縮プランジャ４を動作させることによりシリンダ２内に導入した被処理材を伴う流体蒸気を圧縮し、この圧縮による被処理材の化学反応が終了した後に、圧縮プランジャ４を逆方向に動作させて流体蒸気の温度及び圧力を下げ、得られた生成物を含む流体をシリンダ２内から取り出して新たな流体蒸気をシリンダ２内に吹き込むことにより周期的に吸排気行程を行う反応機関を備える反応装置において、液体蒸気を吸入する期間内に、被処理材を高圧の流体噴霧に乗せて、吸気ポート３ａ内に分散導入することを特徴とする被処理材供給方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、周期的に圧縮及び膨張を繰り返して超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法に関するものである。具体的には、反応装置における反応室内等へ導入する被処理材を吸気弁や噴霧弁のシート部の噛み込み等を生じさせることなく、被処理材を供給する超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法に関するものである。

バイオマスなどの有機物質等の被処理材に対する処理方法としては、かつての薬品酸化法、光酸化法、燃焼法に代えて、超臨界水又は亜臨界水による分解の方法や装置が開発されている（特許文献１）。

さらに、超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の被処理材の反応方法として、例えば、水の臨界条件、すなわち、臨界温度３７４℃、臨界圧力２１８気圧を超えた条件の超臨界水が、その温度と圧力で制御可能となって、パラフィン系炭化水素やベンゼン等の被処理材を分解処理する方法も知られている（特許文献２）。

特許文献２では、例えば、被処理材である木粉等の有機物質を分散させた高圧流体を急加熱して超臨界又は亜臨界の状態を保つことにより、流体蒸気の超臨界又は亜臨界の状態での化学反応により、木粉等を糖への糖化反応を行なわせることができる反応装置が開示されている。すなわち、圧縮して超臨界流体又は亜臨界流体を得る手段と、この超臨界流体又は亜臨界流体を有機物等の被処理材に接触させて化学反応を行わせる手段と、この化学反応によって生じる生成物を含む流体を膨張させて減圧させる手段とからなる反応装置である。

さらに、特許文献２においては、流体蒸気を圧縮して超臨界流体又は亜臨界流体を得る手段と、この超臨界流体又は亜臨界流体を有機物等の被処理材に接触させて化学反応を行わせる手段と、及びこの化学反応によって生じる生成物を含む流体を膨張させて減圧させる手段として、シリンダとこのシリンダに設けられたピストン（圧縮プランジャ）とからなり、このピストン（圧縮プランジャ）を動作させることにより流体蒸気を圧縮し、化学反応の終了後にピストン（圧縮プランジャ）を逆方向に動作させて温度及び圧力を下げ、得られた生成物を含む流体をシリンダ内から取り出して新たな流体蒸気をシリンダ内に吹き込むことにより周期的に動作させる方法、及びその装置が開示されている。

一方、超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置においては、被処理材を超臨界流体又は亜臨界流体中に如何に均一に分散するかが重要であるが、従来の方法では、被処理材をシリンダ内へ分散導入させる方法として、ロータリーフィーダに被処理材を導入すると同時に、加圧水が送り込まれ、ロータリーフィーダで被処理材を水中に拡散しながらインジェクタにより被処理材が噴射され反応室内に供給されると示されているが、フィーダ部等の詳細については示されていない。
特公平１−３８５３２号公報 特開２００２−２６３４６５号公報

従来の反応装置において、その超臨界流体又は亜臨界流体の反応容器内に直接、有機物質等の被処理材を導入しようとすると高圧ポンプを用いて被処理材を反応室内に噴射する必要があるが、従来の反応装置による場合、供給ノズル部における噴射弁のシート部で被処理材の噛み込みが生じたり、被処理材をロータリーフィーダに供給する際に被処理材が流体と分離したり、被処理材が集合して、反応装置におけるシリンダ内の反応室に被処理材を毎回均一にその一定量を分散させることが困難となる。

そこで、本発明は、上記した困難を解消して、被処理材の一定量を流体蒸気に分散させると共に反応機関におけるシート部等で噛み込みが生じることなく被処理材を導入できる超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法を提供することを目的とした。

上記の目的を達成するため、本発明の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法は、シリンダとこのシリンダに設けられた圧縮プランジャとからなり、圧縮プランジャを動作させることによりシリンダ内に導入した被処理材を伴う流体蒸気を圧縮し、この圧縮による被処理材の化学反応が終了した後に、圧縮プランジャを逆方向に動作させて流体蒸気の温度及び圧力を下げ、得られた生成物を含む流体をシリンダ内から取り出して新たな流体蒸気をシリンダ内に吹き込むことにより周期的に吸排気行程を行う反応機関を備える反応装置において、液体蒸気を吸入する期間内に、被処理材を高圧の流体噴霧に乗せて、吸気ポート内に分散導入することを特徴とする。

また本発明の別案の被処理材供給方法として、該反応装置の反応室又は吸気ポート等と連通するように低圧で被処理材を供給するラインと高圧で流体を噴霧するラインを併設し、該両ラインの一部を形成する切替弁を設け、該切替弁を移動させることにより、被処理材で満たされた該ラインの一部が流体の該高圧流体ラインに連通するようにシリンダ内に設けたことを特徴とする。

上述したように本発明の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法では、次のような効果が発揮される。本発明に係る被処理材供給方法によれば、被処理材を高圧の流体の噴霧に乗せて、反応装置のシリンダ内又は吸気ポート内へ導入するため、シリンダ内に吸入された流体蒸気を概ね均一に分散することが可能となる。

そして、高圧流体とともに噴射弁により被処理材をシリンダ内又は吸気ポート内に分散させる方法においては、被処理材は高圧圧縮状態からシリンダや吸気ポート内で急膨張するため、被処理材が爆砕効果で微細化され、反応機関内における被処理材の化学反応がより促進される。

また、被処理材が、シリンダや吸気ポート内へ「流体−被処理材混入流体−流体」を１回の噴射量として噴射されるため、１回の被処理材の噴射導入の吹き終わり時に噴射弁のシート部への被処理材の噛み込みを防止することができる。

また、高圧噴射流体に乗せてシリンダや吸気ポート内へ導入する前の被処理材は、低圧で供給可能な機構としているため、水などの流体と分離しやすい被処理物でも濃度を概ね一定に保つことが可能となり、長時間にわたり被処理材の一定量を安定して供給することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。図１に示すように、反応装置における反応機関１には、圧縮プランジャ４を備えるシリンダ２が設けられている。シリンダ２には、その上部にシリンダヘッド３が設けられている。シリンダヘッド３には、吸気ポート３ａ内に外部に設けた被処理材導入口７ａに連通するように被処理材溜部７を設け、その近傍に流体噴霧弁８を設けている。この反応機関１では超臨界流体又は亜臨界流体を得るための流体として水を使用するが、この流体として、その他に二酸化炭素、亜酸化窒素、フレオン１２、フレオン１３、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ヘキサン、メタノール、ベンゼン、トルエン、アンモニア、その他の物質を選択して使用することも可能である。また被処理材としては、木粉等の有機物質などを挙げることができる。

シリンダヘッド３の吸気ポート３ａ内の被処理材溜部７には、被処理材導入口７ａから一定の流速又は間欠的に一定量の被処理材が導入される。５は吸気弁であり、６は吸気弁５の頭部に設けられたタペットである。

図１に示すように、シリンダヘッド３の上部には、カム軸取付台９が設けられている。カム軸取付台９には図示されていないカム軸が吸気弁５に直交して設けられている。カム軸が回転し、カム軸に備えるカムが、カム軸の端部に設けられているタペット６を介して吸気弁５が開閉される。

被処理材溜部７に一定量蓄積された被処理材は、シリンダ２の吸気弁５の開弁期間内に流体噴射弁８から高圧噴射流体に乗せて吸気ポート３ａ内に分散され、そのまま流体蒸気とともにシリンダ２内に導入される。

図１に示した被処理材供給方法は、被処理材を別に設けた流体噴霧弁８からの噴流で吸気ポート３ａ内に分散させる方法であるが、図２に示す被処理材供給方法は、直接被処理材を噴射弁１１で流体と一緒に、シリンダ２や吸気ポート３ａ内に噴射する方法がある。

ここではシリンダ２内に噴射する場合の事例で説明する。シリンダヘッド３には、噴射弁本体１１が設けられており、噴射弁本体１１の先端にはノズル本体１１ａが、更にノズル本体１１ａには噴口１１ｂが設けられている。被処理材はこの噴射弁本体１１を経由し、高圧流体とともに噴口１１ｂから噴射されてシリンダ２内に導入される。シリンダ２内に導入された流体蒸気が圧縮プランシャ４により断熱的に急速圧縮されることにより超臨界流体又は亜臨界流体の状態に変化するため、被処理材とこの超臨界流体又は亜臨界流体との接触により、被処理材は加水分解反応や熱分解反応等により処理されることになる。

反応機関１においては、水噴弁本体１１の噴口１１ｂから被処理材が高圧流体と一緒に低圧のシリンダ２内に噴射されるが、噴射された流体や被処理材の粒径が大きいと噴射されてから短時間で処理温度に達することが困難となるため、高圧噴射による微粒化が必要となる。一方、流体を高圧で噴射すると、噴霧の到達距離を大きくし、シリンダ２の摺動面への被処理材の付着を招き、圧縮プランジャ４のスキマに入り込み、シリンダ２の摺動面の損傷や、時には焼付きに至る。しかし、被処理材がシリンダ２に噴射されるタイミングのシリンダ２内の圧力は低く、高圧噴射された被処理材は、体積が急膨張し、細かく粉砕されるため、被処理材の距離も短くなり、噴射方向を概ね圧縮プランジャ４が下死点近傍でのほぼシリンダ２の中心ねらいとすることにより、シリンダ２の摺動面への付着が防止できる。また高圧噴射による被処理材の微細化は質量に対する表面積が大きくなり、超臨界流体又は亜臨界流体による被処理材の化学反応が迅速に進み、被処理材の反応を効率的に行うことが可能となる。

シリンダ２内に被処理材を高圧噴射する噴射弁本体１１の縦断面図を図３に、また、断面平面図を図４に示す。共に部分的に外観図とする部分断面図で示している。

図示されていない流体圧送ポンプより送られてきた高圧流体は、流体導入口１２から噴射弁本体１１に導かれる。高圧流体は流体導入口１２から経路（Ａ）１２ａを経由し、噴射弁本体１１の中央部の横方向に貫通する切替弁穴１４に導かれ、経路（Ｂ）１２ｂを経由しノズル本体１１ａに達し、噴口１１ｂからシリンダ２内に噴射される。

噴射弁本体１１には高圧流体用の流体導入口１２以外に、被処理材導入口１３と切替弁穴１４に連通する経路（Ｃ）１３ａが高圧流体用の経路（Ａ）１２ａ及び経路（Ｂ）１２ｂにほぼ並行に併設されている。しかし、被処理材の種類によっては被処理材を混入した流体を高圧で送ると時間とともに濃度が変化し、一定量送り続けることが困難となるため、被処理材導入口１３及び経路（Ｃ）１３ａに対向し、排出用の経路（Ｄ）１３ｂ、被処理材排出用口１３ｃを設け、被処理材を混入した流体を低圧でこれらの経路を循環させることで、一定の濃度を維持する。

切替弁穴１４には切替弁１５が内装されており、切替弁穴１４の両端に設けられた作動流体注入穴１４ａ、１４ｂに加えられる流体の圧力により、切替弁１５が移動するように設定されている。

噴射弁本体１１のほぼ中央部に設けた切替弁穴１４に内装されている切替弁１５の外周には、高圧流体の経路（Ａ）１２ａ、経路（Ｂ）１２ｂと被処理材の経路（Ｃ）１３ａ、経路（Ｄ）１３ｂの開口部に対応し、溝（Ａ）１５ａ、溝（Ｂ）１５ｂが設けられている。

被処理材を噴射しない場合は、切替弁穴１４の作動流体注入穴１４ａに作動流体を注入し、図５に示すように、切替弁１５を作動流体注入穴１４ｂ側に移動させる。この状態で、図示していない流体圧送ポンプにより、加圧された高圧流体は流体導入口１２−経路（Ａ）１２ａ−切替弁溝（Ａ）１５ａ−経路（Ｂ）１２ｂ−ノズル本体１１ａ−噴口１１ｂを経由してシリンダ２内に噴射される。この時、被処理材は図示されていない被処理材貯蔵タンクから図示されていない被処理材圧送ポンプにより、低圧で送られ、被処理材導入口１３−経路（Ｃ）１３ａ−切替弁溝（Ｂ）１５ｂ−経路（Ｄ）１３ｂ−排出口１３ｃを経由し被処理材貯蔵タンクに戻る。

一方、被処理材を噴射する場合は、切替弁穴１４の作動流体注入穴１４ｂに作動流体を注入し、切替弁１５を作動流体注入穴１４ａ側に移動させる。この場合、その移動量は、図６に示すように、切替弁溝（Ｂ）１５ｂが高圧流体の経路（Ａ）１２ａの開口部に連通するだけの量である。従って、図示していない流体圧送ポンプにより加圧された高圧流体は流体導入口１２−経路（Ａ）１２ａ−切替弁溝（Ｂ）１２ｂ−ノズル本体１１ａ−噴射穴１１ｂを経由してシリンダ２内に噴射される。この時、切替弁溝（Ａ）１５ａには高圧流体が、また溝（Ｂ）１５ｂには被処理材が満たされているため、噴射弁１１の噴射口１１ｂから噴射される高圧流体には、被処理材が含まれて噴射されると同時に、噴射される流体は「流体−被処理材混入流体−流体」と並んだ被処理材混入流体となり、噴射終了時のシート部に存在する流体には被処理材を含まない。すなわち、流体でシート部を洗浄した後に弁を着座させシート部に被処理材の噛み込みを防止している。また、各経路の容積と噴射量を適当に設定することで、１回の噴射量での流体と被処理材の割合が設定でき被処理材や流体の種類に適した条件設定が可能となる。

一方、この時被処理材は、図示されていない被処理材貯蔵タンクから図示されていない被処理材圧送ポンプにより、低圧で送られ、被処理材導入口１３−経路（Ｃ）１３ａで行
き止まりとなるが、被処理材の噴霧が終了すれば、再度切替弁穴１４の作動流体注入穴１４ａに作動流体が注入され、図５に示すように、切替弁１５を作動流体注入穴１４ｂ側に移動するため、被処理材は被処理材導入口１３−経路（Ｃ）１３ａ−切替弁溝１５ｂ−経路（Ｄ）１３ｂ−被処理材排出口１３ｃと流れ、切替弁溝１５ｂ内の流体を押し流し、切替弁溝１５ｂには、再度被処理材が満たされる。しかし、押し流された被処理材を含まない流体が被処理材貯蔵タンクに混入してくるため、定期的な濃度のチェックと余剰の流体を分離する装置を設けることも可能である。

本発明に係る実施のため最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法の構成を説明する部分縦断正面図である。 本発明に係る実施のため最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法での噴射弁本体の配設状態を説明する部分縦断正面図である。 本発明に係る実施のため最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法での噴射弁本体の構成を説明する縦断面図である。 本発明に係る実施のため最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法での噴射弁本体の構成を説明する平断面図である。 本発明に係る実施のため最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法での噴射弁本体における切替弁の機能を説明する部分断面平面図である。 本発明に係る実施のため最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法での噴射弁本体における切替弁の機能を説明する部分断面平面図である。

符号の説明

１ 反応機関
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
３ａ 吸気ポート
４ 圧縮プランジャ
５ 吸気弁
６ タペット
７ 被処理材溜部
７ａ 被処理材導入口（Ａ）
８ 流体噴射弁
９ カム軸取付台
１０ 反応室
１１ 噴射弁本体
１１ａ ノズル本体
１１ｂ 噴口
１２ 流体導入口
１２ａ 経路（Ａ）
１２ｂ 経路（Ｂ）
１３ 被処理材導入口
１３ａ 経路（Ｃ）
１３ｂ 経路（Ｄ）
１３ｃ 被処理材排出口
１４ 切替弁穴
１４ａ 作動流体注入穴（Ａ）
１４ｂ 作動流体注入穴（Ｂ）
１５ 切替弁
１５ａ 溝（Ａ）
１５ｂ 溝（Ｂ）

Claims (2)

1. シリンダとこのシリンダに設けられた圧縮プランジャとからなり、圧縮プランジャを動作させることによりシリンダ内に導入した被処理材を伴う流体蒸気を圧縮し、この圧縮による被処理材の化学反応が終了した後に、圧縮プランジャを逆方向に動作させて流体蒸気の温度及び圧力を下げ、得られた生成物を含む流体をシリンダ内から取り出して新たな流体蒸気をシリンダ内に吹き込むことにより周期的に吸排気行程を行う反応機関を備える反応装置において、液体蒸気を吸入する期間内に、被処理材を高圧の流体噴霧に乗せて、吸気ポート内に分散導入することを特徴とする超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法。
2. 前記反応装置において、該反応装置の反応室又は吸気ポート等と連通するように低圧で被処理材を供給するラインと高圧で流体を噴霧するラインを併設し、該両ラインの一部を形成する切替弁を設け、該切替弁を移動させることにより、被処理材で満たされた該ラインの一部が流体の該高圧流体ラインに連通するようにシリンダ内に設けた請求項１に記載された超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における被処理材供給方法。

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