JP2005334848A - 圧力バランス型反応装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御不調や反応条件の急激な変化が生じた場合にも、反応容器の内外圧力差が過大にならないようにし、圧力バランス型反応装置の所定の構成を維持できるようにした構造と運転方法を提供する。
【解決手段】耐圧容器内に反応容器を設けた二重容器構造を有し、反応容器内の第１の圧力と耐圧容器と反応容器の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置であって、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器の内部側と耐圧容器と反応容器の間側とを連通させる連通路を設けたことを特徴とする圧力バランス型反応装置、およびその運転方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力バランス型反応装置およびその運転方法に関し、とくに超臨界水の存在下での水熱反応等の高圧下での反応を、より望ましい装置条件下で行うことが可能な圧力バランス型反応装置およびその運転方法に関する。

高圧下での反応を行う反応装置として、耐圧容器内に反応容器を設けて二重容器構造とし、反応容器内の圧力と、耐圧容器と反応容器の間の圧力とをバランスさせて、反応容器自体には大きな内外差圧がかからないようにした圧力バランス型反応装置が知られている。このような構造においては、反応容器には大きな変形力等が加わらないため、比較的薄肉構造を採用でき、また、高価な耐蝕材料等が要求される場合にもその材料費を削減でき、一方、耐圧容器には専ら耐圧性能だけを満足できる構造を採用すればよいから、比較的安価な材料を選定でき、装置全体を安価に構成できるとともに、装置各部に十分に高い要求性能を容易に持たせることが可能になる。

このような圧力バランス型反応装置は、たとえば、高温高圧水の存在下での水熱反応等に有効である。近年、高温高圧水、とくに超臨界水の存在下での水熱酸化反応を利用して、環境汚染物質等を分解、無害化する試みが注目されている。とくに、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水酸化により、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、有機塩素系有機物等を分解して、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が注目されている。この超臨界水とは、超臨界状態にある水、すなわち、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、空気や酸素、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。このような超臨界水を用いた超臨界水酸化を含む水熱反応、とくに温度１８０℃以上、圧力１ＭＰａ以上の高温高圧水を用いる水熱反応等に圧力バランス型反応装置を適用すると、比較的安価に、所定の連続式やバッチ式の水熱反応装置を構成することが可能になる。

圧力バランス型反応装置を適用した水熱反応装置として、特許文献１や特許文献２には、耐圧容器の中に反応容器を設け、反応容器の外側に（耐圧容器と反応容器の間に）圧力バランスを保つための流体（バランス流体）を流通させる圧力バランス式のベッセル型反応器が開示されている。

このような圧力バランス型反応装置は、連続式とバッチ式の反応装置に大別することが可能である。図４は、連続式装置の例を示しており、図４に示す装置では、被処理流体１０１がノズル１０２を介してたとえば超臨界水とともに反応容器１０３内に導入され、反応用流体１０４（この場合、空気）が導入されて反応容器１０３内で反応が行われ、処理流体１０５が処理流体排出管１０６から排出される。反応用流体１０４として供給される空気は、圧力バランス用のバランス流体１０７としても使用され、該バランス流体１０７が、反応容器１０３と耐圧容器１０８の間に流入されるとともに、反応容器１０３とノズル１０２の隙間から反応容器１０３内に流入される。この構造においては、反応容器１０３の内外は反応容器１０３の開口部を介して連通しているため、流体流れによる微小な圧力損失による圧力差はあるものの、基本的にはバランス流体と反応容器内流体の圧力は同一となる。

図５は、バッチ式装置の例を示しており、図５に示す装置では、被処理物１１１が反応容器１１２内に充填され、反応環境を形成する水または超臨界水１１３と反応用流体としての空気１１４が反応容器１１２内に導入されて反応容器１１２内で反応が行われる。反応が終了すると、処理流体１１５は処理流体排出管１１６を介して排出され、たとえば、冷却水１１７を通水した冷却器１１８、処理流体減圧弁１１９を介して所定の行き先へと送られる。このような反応系統とは別系統からバランス流体が供給され、本例では、反応用流体供給管としての空気供給管が分岐され、空気がバランス流体１２０として、反応容器１１２と耐圧容器１２１の間に流入され、バランス空気減圧弁１２２を介して排出される。このバランス流体１２０は、反応容器内流体とは反応容器１１２により隔絶されている。通常、反応容器内圧力よりもバランス流体圧力がわずかに高くなるように、バランス流体１２０の圧力が制御されている。なお、図４、５とも図示しないが、反応容器の内側と外側の圧力差を検知するために、たとえば、反応用空気とバランス空気ラインの差圧を測定するラインが設けられており、異常を検知することができるようになっている。また図示していないが、反応容器および耐圧容器に流入するラインには、逆流防止のための逆止弁が設けられる。
特開平９−８５０７５号公報 特開２００３−３４０２６１号公報

しかし、図４に示す反応器構造において、被処理流体中に塩類が混入されていると、反応容器内で析出し、場合によっては反応容器とノズルの隙間にも析出し、隙間がなくなる。この場合に、反応容器内流体の圧力調節が不調になったり、運転終了後の反応容器内減圧を行なった際には、反応容器内流体圧力は低下するが、図示しない逆止弁の効果によりバランス流体の逆流は防止され、バランス流体圧力は低下しないため、反応容器の内側と外側に反応容器の設計圧力を超える差圧が発生することも想定される。

一方、図５に示す反応器構造においては、バランス流体と反応容器内流体は隔絶されているため、圧力バランスを取るために両者とも圧力制御をしているが、どちらか一方の圧力制御に不調をきたした場合には、内外圧力差が生じ、反応容器の設計圧力を超えることが想定される。さらに、バッチ式装置においては、昇温・昇圧過程があり、反応容器内の温度上昇に伴う圧力上昇に合わせたバランス流体圧力の制御が必要となるが、予期しない温度の急上昇があった場合、バランス空気圧力の制御が追随できず、内外圧力差が生じ、反応容器の設計圧力を超えることが想定される。

そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、制御不調や反応条件の急激な変化が生じた場合にも、反応容器の内外圧力差が過大にならないようにし、圧力バランス型反応装置の所定の構成を維持できるようにした構造と運転方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る圧力バランス型反応装置は、耐圧容器内に反応容器を設けた二重容器構造を有し、反応容器内の第１の圧力と耐圧容器と反応容器の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置であって、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器の内部側と耐圧容器と反応容器の間側とを連通させる連通路を設けたことを特徴とするものからなる。

この圧力バランス型反応装置には、とくに、第１の圧力と第２の圧力との差圧を検出する手段が設けられていることが好ましく、また、上記連通路に、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに該連通路を開く自動弁が設けられていることが好ましい。

また、上記連通路には、バッファタンクが設けられていることが好ましい。

このような圧力バランス型反応装置においては、反応容器内で高圧の反応、たとえば水熱反応が行われる。水熱反応としては、たとえば超臨界水酸化反応が挙げられる。

本発明に係る圧力バランス型反応装置の運転方法は、上記のような圧力バランス型反応装置を用い、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに、連通路を連通させるとともに、装置を停止する方法からなる。

従来の圧力バランス型反応装置では、反応容器の内外圧力差が生じた場合には、対応として装置を停止するだけであり、圧力差を解消する手段がなかった。そのため、想定外の圧力差が生じた場合に、反応容器の設計圧力を超え、反応容器が変形もしくは破損するおそれがあった。しかし本発明に係る圧力バランス型反応装置においては、反応容器の内外差圧が所定値以上となったときには、反応容器の内部と外部を連通させる連通路（均圧ライン）が開かれ、反応容器の内部と外部が連通されて反応容器にかかる差圧を無くす。したがって、反応容器には過大な差圧がかからなくなり、変形や破損のおそれが除去される。

本発明に係る圧力バランス型反応装置およびその運転方法によれば、不測の事態等により反応容器の内外圧力差が上昇した場合にも、反応容器を変形・破損させるおそれを除去でき、圧力バランス型反応装置の所定の構成を安定して維持することができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る圧力バランス型反応装置を示しており、とくに連続式の、超臨界水酸化装置として好適な水熱反応装置を示している。図１に示す圧力バランス型反応装置１は、耐圧容器２内に反応容器３を設けた二重容器構造を有し、反応容器３内の第１の圧力と耐圧容器２と反応容器３の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置に構成されている。被処理流体４はノズル５を介してたとえば超臨界水とともに反応容器３内に導入され、反応用流体６（この場合、空気）が導入されて反応容器３内で反応が行われ、処理流体７が処理流体排出管８から排出される。反応用流体６として供給される空気は、圧力バランス用のバランス流体９としても使用され、該バランス流体９が、反応容器３と耐圧容器２の間に流入されるとともに、反応容器３とノズル５との隙間１０から反応容器３内に流入される。本実施態様においては、反応容器３に対してブライン水入口１１とブライン水出口１２とが設けられており、反応容器３内のブライン水１３の液面レベルを検出する液面検出器１４が、低位側検出ライン１５、高位側検出ライン１６を介して接続されている。

そして、この圧力バランス型反応装置１に、反応容器３内の第１の圧力と耐圧容器２と反応容器３の間の第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器３の内部側と耐圧容器２と反応容器３の間側とを連通させる連通路１７が設けられている。また、第１の圧力と第２の圧力との差圧を検出する手段として、反応容器３内外の差圧を検出する差圧計１８が設けられている。さらに、上記連通路１７には、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに該連通路１７を開く自動弁１９（自動開閉弁）が設けられている。この自動弁１９が、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器３内外の圧力を均一化して差圧を無くす均圧弁として機能する。

なお、図示例では、反応容器３の内部と外部の圧力差を検知し、圧力を均一化する均圧弁１９を設けるライン（連通路１７）として、液面検出器１４における高位側検出ライン１６とバランス空気の配管を選択したが、その他にも、以下に示すような各箇所からの任意の組合せとすることができる。（１）処理流体出口、（２）被処理流体入口、（３）反応空気入口、（４）ブライン水入口、（５）ブライン水出口、（６）液面検出器低位側、さらに（７）反応容器内から導出される差圧検知専用ライン（図示略）。また、図示例では、反応容器３内外の差圧検出を、液面検出器低位側とバランス空気の配管との間で行うようにしたが、これも、各箇所からの任意の組合せとすることができる。たとえば、反応容器外部圧力検出位置については、バランス空気入口や、耐圧容器２から導出される差圧検知専用ライン（図示略）等を選定できる。図示例で採用した液面検出器１４の低位側は臨界温度以下であり、塩の析出のおそれが最も低い位置であり、閉塞による検出不良が起こらないため、反応容器３内側圧力の導出元として好ましい。

上記のような圧力バランス型反応装置１においては、連通路１７を設けるとともに、反応容器３の内外圧力差を検出する差圧計１８を設け、連通路１７（均圧ライン）に自動弁１９を設けて、差圧計１８の指示値が所定範囲を超えると、従来通り装置を停止するとともに、連通路１７を開放することで、圧力差を解消することができる。したがって、不測の事態等が発生し反応容器３の内外圧力差が急激に増大した場合にあっても、連通路１７（均圧ライン）による均圧化により迅速に圧力差を解消でき、反応容器３にダメージを与えることなく、所定の圧力バランス型反応装置１の構成を維持することができる。

図２は、本発明の第２実施態様に係る圧力バランス型反応装置を示しており、とくにバッチ式の、超臨界水酸化装置として好適な水熱反応装置を示している。図２に示す圧力バランス型反応装置２１は、耐圧容器２２内に反応容器２３を設けた二重容器構造を有し、反応容器２３内の第１の圧力と耐圧容器２２と反応容器２３の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置に構成されている。被処理物２４はバッチ式にて反応容器２３内に充填され、水または超臨界水２５と反応用流体２６（この場合、空気）が導入されて反応容器２３内で反応が行われ、処理流体２７が処理流体排出管２８から排出される。排出された処理流体２７は、冷却水２９が通水された冷却器３０で冷却され、処理流体減圧弁３１にて適度に減圧されて所定の行き先へと排出される。反応用流体２６として供給される空気は、圧力バランス用のバランス流体３２としても使用され、該バランス流体３２は、反応容器２３と耐圧容器２２の間に流入され、反応容器２３内とは隔絶された状態にて、バランス流体排出管３３、バランス流体減圧弁３４を介して排出される。

そして、この圧力バランス型反応装置２１に、反応容器２３内の第１の圧力と耐圧容器２２と反応容器２３の間の第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器２３の内部側と耐圧容器２２と反応容器２３の間側とを連通させる連通路３５が設けられている。また、第１の圧力と第２の圧力との差圧を検出する手段として、反応容器２３内外の差圧を検出する差圧計３６が設けられている。さらに、上記連通路３５には、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに該連通路３５を開く自動弁３７（自動開閉弁）が設けられている。この自動弁３７が、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器２３内外の圧力を均一化して差圧を無くす均圧弁として機能する。

なお、図示例では、反応容器２３の内部と外部の圧力差を検知し、圧力を均一化する均圧弁３７を設けるライン（連通路３５）として、水または超臨界水の反応容器２３への入口とバランス空気の配管入口を選択したが、その他にも、以下に示すような各箇所からの任意の組合せとすることができる。たとえば、反応容器２３の内部圧力検出位置として、（１）反応容器入口、（２）処理流体出口、（３）反応容器内から導出される差圧検知専用ライン（図示略）等、また、反応容器２３の外部圧力検出位置として、（１）バランス空気入口の他、（２）バランス空気出口、（３）耐圧容器から導出される差圧検知専用ライン（図示略）等を選択してもよい。図２において、水または超臨界水の入口側は、基本的には不純物を含まない水が供給され、塩の析出・閉塞のおそれが最も低い位置であるため、反応容器内側圧力の導出元として好ましい。

上記のような圧力バランス型反応装置２１においては、連通路３５を設けるとともに、反応容器２３の内外圧力差を検出する差圧計３６を設け、連通路３５（均圧ライン）に自動弁３７を設けて、差圧計３６の指示値が所定範囲を超えると、従来通り装置を停止するとともに、連通路３５を開放することで、圧力差を解消することができる。したがって、不測の事態等が発生し反応容器３の内外圧力差が急激に増大した場合にあっても、連通路３５（均圧ライン）による均圧化により迅速に圧力差を解消でき、反応容器２３にダメージを与えることなく、所定の圧力バランス型反応装置２１の構成を安定して維持することができる。

なお、図１、２では、均圧弁として自動弁（オン−オフ弁）を示したが、自動調節弁（たとえば、流量や圧力の自動調節弁）でもよい。また、図１、２では、差圧検出ラインと均圧ラインの好ましい設置状態を示したが、反応容器の内外の差圧を検出可能な差圧検出ラインと反応容器の内外を連通できる均圧ラインであれば、その組合せを限定するものではなく、それぞれのラインの導出元としては、前述の如く任意の組合せとできる。ここで、均圧ライン作動により発生する流れによって、差圧検出器側の片側で動圧による加圧、片側でエゼクター効果による負圧になり、正確な差圧が検出できなくなるおそれがある場合には、差圧検出ラインと均圧ラインを別系統とすることが有効である。

また、反応容器内流体は腐食性である場合があるが、通常耐圧容器には特別な腐食対策を施さないため、反応容器内圧力が上昇して均圧弁が作動した場合には、反応容器内流体が反応容器外部に到達し、耐圧容器と接液すると、耐圧容器が腐食するおそれがある。そこで、図２の装置に関して図３に示すように、均圧ライン（連通路３５）にバッファタンク４１を設けることで、反応容器内圧力が上昇して均圧弁３７が作動した場合でも、反応容器内流体が反応容器外部に到達することがなくなる。図３では、自動弁３７の前にバッファタンク４１を設けたが、後ろでもよく、また、前後に一つずつ設けてもよい。バッファタンク４１の構成としては、液の飛散等を抑制する目的で、図３に示すように、反応容器内部との連結側がタンク下部まで導かれ、反応容器外部との連結側がタンク上部に接続されていることが好ましい。図１に示した装置についても、同様にバッファタンクを設けることができる。

なお、図１〜３において、耐圧容器と反応容器の間の圧力バランスを保つ流体として、反応に使用する空気を分岐して供給する形態を示したが、耐圧容器と反応容器の間の圧力バランスを保つ流体として全く別個に、たとえば窒素のような流体を供給する形態でもよい。

本発明に係る圧力バランス型反応装置およびその運転方法は、二重容器型のあらゆる圧力バランス型反応装置に適用でき、とくに超臨界水の存在下での超臨界水酸化のような高圧下での水熱反応に好適なものである。

本発明の第１実施態様に係る圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。 本発明の第２実施態様に係る圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。 図２の装置にバッファタンクを設けた場合の部分機器系統図である。 従来の連続式の圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。 従来のバッチ式の圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。

符号の説明

１、２１ 圧力バランス型反応装置
２、２２ 耐圧容器
３、２３ 反応容器
４ 被処理流体
５ ノズル
６、２６ 反応用流体としての空気
７、２７ 処理流体
８、２８ 処理流体排出管
９、３２ バランス流体としての空気
１０ 隙間
１１ ブライン水入口
１２ ブライン水出口
１３ ブライン水
１４ 液面検出器
１５ 低位側検出ライン
１６ 高位側検出ライン
１７、３５ 連通路（均圧ライン）
１８、３６ 差圧計
１９、３７ 自動弁（均圧弁）
２４ 被処理物
２５ 水または超臨界水
２９ 冷却水
３０ 冷却器
３１ 処理流体減圧弁
３３ バランス流体排出管
３４ バランス流体減圧弁
４１ バッファタンク

Claims (7)

1. 耐圧容器内に反応容器を設けた二重容器構造を有し、反応容器内の第１の圧力と耐圧容器と反応容器の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置であって、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器の内部側と耐圧容器と反応容器の間側とを連通させる連通路を設けたことを特徴とする圧力バランス型反応装置。
2. 第１の圧力と第２の圧力との差圧を検出する手段を備えている、請求項１の圧力バランス型反応装置。
3. 前記連通路に、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに該連通路を開く自動弁が設けられている、請求項１または２の圧力バランス型反応装置。
4. 前記連通路に、バッファタンクが設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の圧力バランス型反応装置。
5. 反応容器内で水熱反応を行う、請求項１〜４のいずれかに記載の圧力バランス型反応装置。
6. 水熱反応が超臨界水酸化反応である、請求項５の圧力バランス型反応装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の圧力バランス型反応装置を用い、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに、連通路を連通させるとともに、装置を停止する、圧力バランス型反応装置の運転方法。

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