JP2005288350A - 高圧装置の効率的な断熱方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温高圧技術を利用した技術分野において、優れた断熱特性を有する断熱材、それを使用した高温高圧装置及び断熱方法を提供する。
【解決手段】内部断熱構造を有する高温高圧装置において使用するための、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス粒を、１００ＭＰａ以上の圧力で、等方圧加圧プレス等により成形して製造した、多孔質セラミックス断熱材、それを使用した高温高圧装置及び断熱方法。
【効果】多孔質セラミックス体は、断熱性に優れるとともに、圧縮強度に優れ、圧力支持部材としても働くため、容器の軽量化、コスト低減に有用であり、また、消費エネルギー量の低減にも優れ、超臨界反応の装置として有用である。
【選択図】なし

Description

本発明は、内部断熱構造を有する高温高圧装置において使用する、セラミックス粒を加圧して成形した多孔質のセラミックス体よりなる断熱材、高温高圧装置装置及びその断熱方法に関するものであり、更に詳しくは、内部断熱構造を有する高温高圧装置において、例えば、アルミナ或いはジルコニアの粒子を、冷間等方圧プレス或いは乾式等方圧プレスにより加圧成形して製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とするものであって、高温高圧条件下で、実用的に使用できる優れた断熱効果を有する高温高圧装置及びその断熱方法に関するものである。
本発明は、次世代の産業や社会を支える重要な科学技術として、その実用化が期待されている、高温高圧技術を利用した、化学プロセス技術、エネルギー化技術又は廃棄物分解技術等の技術分野において、当該技術を実用化するための鍵となる、高温高圧装置の新しい展開を飛躍的に推進することを可能とするものである。

本発明は、高温高圧条件下において、熱伝導度、強度、成形性等の観点から見て、優れた特性を有する、多孔質セラミックス断熱材を使用することによって、断熱性に優れるとともに、容器の軽量化、コスト低減、更には、消費エネルギーの低減にも優れた高温高圧装置を提供するものとして、また、亜臨界ないし超臨界の媒体を使用した化合物の合成装置を提供するものとして有用である。

高温高圧装置内の内部断熱は、エネルギー効率を増大させるために、また圧力容器の使用温度条件を緩和させるのに効果的である。しかしながら、従来、使われている断熱は、容器外の断熱（大気圧下）が主であり、容器内断熱（高温高圧下）はほとんど行われていない。また、大気圧下で通常使用される断熱材は、石綿のように、その内部に空気を含むことによって断熱性を高めており、高圧下では使用できない。更に、レンガが、一般的に、断熱材として用いられるが、これも多孔性であり、高圧下では圧縮強度が充分でなく、また成形性も充分とは言えない。一方、高温高圧下で使用される断熱材として、アルミナ、ジルコニア等のセラミクスの使用が可能であるが、これらの熱伝導度は、それほど低くなく、断熱効果という観点からは問題を残している。

図1に、従来知られている、圧力バランス型反応器を示す（特許文献１）。この装置は、超臨界水酸化のような腐食性の過酷な場合に用いられており、圧力容器（外筒）の内部に、更に反応容器（内筒）が格納された構造をとる。その間の空間には、反応部（内筒）とほぼ同圧の空気が挿入されることにより、内筒内外の圧力差がなく、内筒を非常に薄くすることが可能となる。このことは、腐食の厳しい内筒として、ニッケル合金や他の高級材の使用を可能とする。更に、バランス空気は断熱材としての役目もはたしており、圧力容器（外筒）の設計温度を低下させることができる。これにより、高温強度の関係より圧力容器の厚さを薄くでき、材料費のコストダウンにつながるとともに、システム全体のエネルギーバランスを向上させる効果がある。しかしながら、この構造では高圧空気、或いは、他の不活性な高圧ガスを、一定圧力に制御して挿入する必要があり、酸化剤として高圧空気が必要となる超臨界水酸化等の場合を除き、その実施は実質上困難である。

これに対し、圧力容器（外筒）と反応容器（内筒）との間に、固体状の断熱材を設置することが容易に想定されるが、前述したように、高圧下で有効に働く断熱材はほとんどない。例えば、上記空間部に、断熱用の空間を形成する圧力支持部材（金属）を配設する構造が提案されているが（特許文献２参照）、支持部材が金属であるため断熱効果に問題が残っている。

特許3,368,410号明細書 特開2002-136859号公報

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記諸問題を抜本的に解決することが可能な、新しい断熱材及び高温高圧装置を開発することを目標にして、鋭意研究を積み重ねた結果、内部断熱構造を有する高温高圧装置において、セラミックス粒を加圧成形して製造した多孔質セラミックス体からなる断熱材を見出すことにより、その断熱効果及び圧縮強度に優れた特性を利用して、圧力容器の軽量化及び優れた断熱性を実証した、高温高圧容器及び断熱材を完成するに至った。
本発明は、高温高圧反応装置を使用することにより、化学プロセス技術、エネルギー化技術又は廃棄物、有害物質の分解技術等の実用化を推進することが可能な高温高圧装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、高温高圧条件下において、熱伝導度、強度、成形性に優れた断熱材及びこれを配設した、高温高圧装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、断熱性に優れるとともに、圧縮強度に優れ、圧力支持部材としての機能を有する、多孔質セラミックス体を断熱材とすることにより、圧力容器を薄くすることができ、コスト低減をはかることができ、また、優れた断熱効果により、エネルギー消費量を抑えることができる高温高圧装置を提供することを目的とするものである。
更に、本発明の目的は、各種の、高圧高温反応の反応装置として有用であり、例えば、亜臨界ないし超臨界の反応媒体を利用して、様々な有用な有機化合物を、効率良く、短時間で、大量に、しかも環境に優しく合成することができる有機化合物の合成システムを構築するための高温高圧装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）内部断熱構造を有する高温高圧装置に使用するための断熱材であって、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とすることを特徴とする、内部断熱構造を有する高温高圧装置用断熱材。
（２）内筒と外筒との間に当該内筒の領域と隔離された空間部を有する高温高圧装置であって、該内筒と外筒との間隔を保って該内筒を支持することにより形成された、前記空間部に配設するための、前記（１）に記載の高温高圧装置用断熱材。
（３）多孔質セラミックス体が、セラミックス粒を冷間等方圧プレス或いは乾式等方圧プレスにより加圧成形した成型体である、前記（１）に記載の高温高圧装置用断熱材。
（４）セラミックス粒が、アルミナ或いはジルコニアである、前記（１）に記載の高温高圧装置用断熱材。
（５）多孔質セラミックス体が、セラミックス粒を、１00MPa以上で加圧することにより成形した成型体である、前記（１）に記載の高温高圧装置用断熱材。
（６）多孔質セラミックス体が、セラミックス粒を加圧成形した後、1000℃以下で仮焼成した成型体である、前記（１）に記載の高温高圧装置用断熱材。
（７）多孔質セラミックス体が、その表面を加熱することにより閉気孔性とした成型体である、前記（１）に記載の高温高圧装置用断熱材。
（８）内部断熱構造を有する高温高圧装置において使用するための断熱材であって、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とすることを特徴とする亜臨界ないし超臨界の媒体中で化学反応を遂行するための高温高圧装置用断熱材。
（９）内部断熱構造を有する高温高圧装置において、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とすることを特徴とする高温高圧装置。
（１０）内部断熱構造を有する高温高圧装置に、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材として使用することを特徴とする高温高圧装置の効率的な断熱方法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、内部断熱構造を有する高温高圧装置において、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とする高温高圧装置に関するものであり、更に具体的には、内筒と外筒との間に、当該内筒の領域と隔離された空間部を有する高温高圧装置であって、該内筒と外筒との間隔を保って該内筒を支持すると共に、前記空間部に、多孔質セラミックス体を配設した高温高圧装置に関するものである。本発明は、セラミックス粒を、冷間等方圧プレス或いは乾式等方圧プレス等により、加圧成形した多孔質セラミックス体を、断熱材とするものであり、その優れた、断熱性、及び機械的強度は、高温高圧装置を実用化する上で大きな利点となる。例えば、亜臨界ないし超臨界状態の媒体を利用した、有機化合物の合成プロセスは、本発明の、優れた高温高圧装置を採用することによって、プロセスが本来有する、数々の優れた特徴を十分に発揮することができ、将来の、有機化合物の合成技術として、新しい分野を開拓することを可能とする。

本発明の、高温高圧装置は、その構造に限定されることはなく、内部断熱構造を有する、高温高圧装置であれば如何なるものであってもよい。
本発明の、高温高圧装置としては、例えば、図２に示されている構造の装置が例示される。この容器は、円筒状の反応部（内筒）と、この反応部の外側に配設され、内筒との間に、ほぼ内筒の全長に亘って上下が閉塞された平面視で円環状の空隙部を形成する外筒と、内筒の下端を閉塞するとともに、外筒を支持するように、内筒及び外筒に取り付けられた下蓋と、内筒の上端を閉塞するとともに外筒の上面を覆うように内筒及び外筒に取り付けられた上蓋と、これらの、筒及び蓋によって形成される空間内に配設された多孔質セラミックス体断熱材から構成されている。

多孔質セラミックス体が、高温高圧装置の、断熱及び圧力支持部材としての働きを十分発揮するためには、上記空間内全体に、多孔質セラミックス体を配設することが望ましいが、例えば、空間内の、内筒表面又は外筒表面にのみ接して、断熱材を配設することも適宜可能である。本発明の多孔質セラミックス体は、圧縮強度に優れているため、内筒を変形しないように支持するとともに、優れた断熱効果により、外筒の温度上昇を低く抑えることができる。したがって、外筒を高温に耐える特殊な高温高強度材料で製作する必要はなく、強度を重視した安価な材料で高温高圧装置を作製することができる。

また、外筒と、断熱材により装置の強度を十分保持することができ、高温高圧装置は、内筒を使用しない構造が可能である。即ち、本発明の多孔質セラミックス体を、圧力容器の内壁に、直接配設することにより優れた断熱効果を発揮することができる。この場合には、多孔質セラミックス体が、直接、反応媒体と接触するために、反応媒体が、断熱材の多孔部分に進入することがないように、表面は、閉気孔とするのが好適である。表面を閉気孔とするには、例えば、仮焼成温度以上の温度での焼成が好適である。

このように、本発明では、圧力容器（外筒）と反応容器（内筒）との間、又は、圧力容器の内面に、断熱材としてセラミックス粒を冷間等方圧プレス或いは乾式等方圧プレスにより加圧成形した多孔質セラミックス体を配設する。この加圧成形した多孔質セラミックス体は、断熱性に優れるとともに、圧縮強度に優れており圧力支持部材としても有効に働く。従って、反応容器（内筒）の厚みは基本的にきわめて薄くてよく、コスト的にも有利となる。

本発明の、高温高圧装置の材質は、従来の耐圧容器に用いられているものと同一の材質とすることができ、例えば、炭素鋼やステンレススチール等であることができる。反応容器は、耐圧容器とは異なり、耐高圧性は特に必要とされるものではないが、高温高圧の化合物等に晒されることがあるので、耐食性に優れた材質のものが望ましい。

多孔質セラミックス体としては、耐熱性、断熱性、機械的強度、成形性等に優れていれば、その材質を問うものではないが、例えば、アルミナ、ジルコニア（部分安定化ジルコニアを含む）、ムライト、窒化ケイ素が挙げられる。多孔質セラミックス体を成形する原料粒子は、成形体の所望の形状構造、多孔度、強度等に応じて適宜選択できるが、例えば、粒径０．１〜１０μｍ、比重３〜６のセラミック粒子を用いることができる。粒子から、成形体を成形する成形方法としては、成形時の加圧処理によって、原料セラミックス粒子が破壊されない圧力で、しかも、粒子間の結合が生じ、多孔体の成型体が形成される成形方法が選ばれる。例えば、冷間等方圧プレス、乾式等方圧プレスが好適である。成形圧としては、原料セラミックス粒子の、材質、その他の特性により適宜選定されるが、通常の上記加圧成形時の操作圧力は、100MPa以上で行われることが好ましい。また、成形にあたっては、バインダー等の成型助剤を使用してもよい。

成形した、多孔質セラミックス体は、そのままで、断熱材として使用できる十分な強度を有しているので、成形後に格別の処理をすることなく使用することができる。しかしながら、この加圧成形体を、1000℃以下で仮焼成して多孔質セラミックス体とすることも可能である。このような温度で仮焼成を行うことにより、加圧成形時に用いた有機バインダーを除去し、高温安定性を増加させることができ、また、セラミックス体中に混在する不純物等を揮散させ、反応媒体等の汚染を防止することにもなる。ただし、成形体を１０００℃以上で、本焼成すると、焼結等により、多孔性が低下し、密度の増加を起こす。その結果として、断熱性が低下するので、好ましくない。
また、本セラミックス体を内筒なしで圧力容器内壁に直接設置することもできるが、この場合には、反応媒体が断熱材の内部に侵入しないように、上記加圧成形体の表面を高温に加熱して、閉気孔性とすることが望ましい。

本発明により、（１）高温高圧条件下において、熱伝導度、強度、成形性に優れた断熱材を配設することにより、実用化が可能な高温高圧装置を提供することができる、（２）圧縮強度に優れれ、圧力支持部材としての機能を有する多孔質セラミックス体を断熱材とすることにより、反応容器を薄肉にすることができ、コスト低減をはかることができる、（３）多孔質セラミックス体の優れた断熱効果により、エネルギー消費を抑えることが可能な高温高圧装置を提供することができ、外筒を高温に耐える特殊な高温材料を使用する必要がなくなり、安価な材料が使用できる、（４）従来の、加圧気体による断熱のように、特殊な装置及び制御手段を必要としない、簡便な装置である、（５）また、高温高圧反応の反応装置として有用であり、例えば、亜臨界ないし超臨界の反応媒体を利用して、様々な有用な有機化合物を、効率良く、短時間で、大量に、しかも環境に優しく合成することができる有機化合物の合成システムを構築するための高温高圧装置を提供する、という格別の効果を奏する。

次に、本発明を、実施例に基いて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

セラミックス粒として、粒径１．０μｍの、アルミナ及びジルコニアを選定し、これらを100MPaで等方圧プレス成形した成形体と、その加圧成形体を1,000℃で、５時間の間仮焼成した成形体及び、参考例として、上記加圧成形体を1,600℃で本焼成した成形体を、サンプル（10mm径×2mm厚さ）として、それらの密度と熱伝導度を測定した。密度は重量測定と寸法測定による体積評価から、熱伝導度はレーザーフラッシュ法による熱伝導度測定装置により室温での値を評価した。以下にその結果を示す。

セラミクッスの製造過程を見ると、原料混合・粒度調整後、冷間等方圧プレス処理、そして、この加圧成形体を焼成して製品とするが、加圧成形体は多孔性であり焼成後には緻密体となる。この過程での密度変化、及び熱伝導度変化を測定した結果を表１に示す。100 MPaに加圧し、成形した成形体の密度は、アルミナで、本焼成体の61.5％、ジルコニアでは50％と多孔性であることが推測される。100 MPaで加圧して成形した成型体を1,000℃で仮焼成すると、成型体の密度はほとんど加圧成形体と同じで、本焼成体の50〜60％にとどまる。明らかに、緻密化は1,000℃以上の高温下で起こることがわかる。熱伝導度は、密度に依存しておりアルミナでは本焼成体の1/26〜1/14に、ジルコニアでも1/5〜1/6に低下している。特に、ジルコニアでは、0.5 W/(K・m)となり、断熱材として使用が実証された。

以上詳述したように、本発明は、内部断熱構造を有する高温高圧装置において、セラミックス粒を加圧成形して製造した、断熱効果に優れ、圧縮強度に優れた多孔質セラミックス体を断熱材とすることにより、断熱性に優れ、圧力容器軽量化が可能な高温高圧装置に係るものである。本発明は、高温高圧反応下に実施される、化学プロセス技術、エネルギー化技術又は廃棄物、有害物質の分解技術等の実用化を実証することが可能な高温高圧装置を提供するものである。本発明の高温高圧装置は、高温高圧条件下において、熱伝導度、強度、成形性に優れた断熱材を配設することにより、圧力容器を薄くすることができ、また特殊な材料を必要としないため、コスト低減をはかることができるとともに、優れた断熱効果により、エネルギー消費量を抑えることが可能な、高温高圧装置を提供することができる。また、本発明は、各種の、高圧高温反応の反応装置として有用であり、例えば、亜臨界ないし超臨界の反応媒体を利用して、様々な有機化合物を、効率良く、短時間で、大量に、しかも環境に優しく合成することができる有機化合物の合成システムを構築するための高温高圧装置を提供するものとして有用である。

従来の、空気を利用して断熱する高温高圧装置の模式図を示す。 本発明の、高温高圧装置の模式図を示す。

Claims (10)

1. 内部断熱構造を有する高温高圧装置に使用するための断熱材であって、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とすることを特徴とする、内部断熱構造を有する高温高圧装置用断熱材。
2. 内筒と外筒との間に当該内筒の領域と隔離された空間部を有する高温高圧装置であって、該内筒と外筒との間隔を保って該内筒を支持することにより形成された、前記空間部に配設するための、請求項１に記載の高温高圧装置用断熱材。
3. 多孔質セラミックス体が、セラミックス粒を冷間等方圧プレス或いは乾式等方圧プレスにより加圧成形した成型体である、請求項１に記載の高温高圧装置用断熱材。
4. セラミックス粒が、アルミナ或いはジルコニアである、請求項１に記載の高温高圧装置用断熱材。
5. 多孔質セラミックス体が、セラミックス粒を、１00MPa以上で加圧することにより成形した成型体である、請求項１に記載の高温高圧装置用断熱材。
6. 多孔質セラミックス体が、セラミックス粒を加圧成形した後、1000℃以下で仮焼成した成型体である、請求項１に記載の高温高圧装置用断熱材。
7. 多孔質セラミックス体が、その表面を加熱することにより閉気孔性とした成型体である、請求項１に記載の高温高圧装置用断熱材。
8. 内部断熱構造を有する高温高圧装置において使用するための断熱材であって、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とすることを特徴とする亜臨界ないし超臨界の媒体中で化学反応を遂行するための高温高圧装置用断熱材。
9. 内部断熱構造を有する高温高圧装置において、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材とすることを特徴とする高温高圧装置。
10. 内部断熱構造を有する高温高圧装置に、セラミックス粒を加圧成形することにより製造した、多孔質セラミックス体を断熱材として使用することを特徴とする高温高圧装置の効率的な断熱方法。