JP2006126114A

JP2006126114A - 流動状態測定システムおよび流動状態測定方法

Info

Publication number: JP2006126114A
Application number: JP2004317739A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fujie; 誠藤江; Seiichiro Koda; 清一郎幸田; Tsuneo Omura; 恒雄大村; Yoshie Akai; 芳恵赤井; Tadashi Fukushima; 正福島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】超臨界水中で変化することなく超臨界水に同伴する微粒子により流動状態を測定できるレーザードップラー法による流動状態測定システムを提供する。
【解決手段】システムは、レーザー光を当てたときに散乱光を発生させる微粒子と測定対象流体との混合流体を貯留する流体タンク３と、混合流体を加圧して流動させるポンプ１４と、加圧された混合流体を予熱して超臨界流体を生成する予熱容器７と、予熱容器７で得られた超臨界流体を通過させ、レーザー光が透過する窓１０を有する観察容器９と、窓１０を通して超臨界流体にレーザー光を照射するレーザー照射器１１と、窓１０を通して得られる散乱光を検出する散乱光検出器１２と、を有する。予熱容器７内の混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分に、下向きの流路が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザードップラー法により高温高圧流体の流動状態を測定するシステムおよびその測定方法に関する。

近年、有機廃棄物の焼却処分でダイオキシンや窒素酸化物などの有害物質の発生が社会問題となっている。しかし、有害物質の発生が少ない超臨界水雰囲気で有機物を酸素で酸化分解するプロセス（例えば、特許文献１参照）が注目されている。

このプロセスは、高温・高圧環境で反応を行わせるので、反応炉内の挙動をシミュレーションして温度や生成物、反応効率を予測できれば、有害物質の発生量を下げ、圧力容器である反応炉を小さくすることができ、安全で経済的な超臨界水反応炉を提供することができる。超臨界水の流動状態が有機物の酸化反応に大きな影響を与えるので、超臨界水の流動状態をシミュレーションするためには、先ず流動状態を測定することが必要である。

流体の速度分布を測定する方法として、流体に同伴する微粒子にレーザー光を当てて散乱光と照射光のドップラー効果により粒子の移動方向と速度を算出する流動状態の測定方法が知られている。しかし、粒子を含ませた液体を加熱して超臨界流体を作ると、超臨界流体中に粒子がほとんど含まれないため、ドップラー法での測定ができない。

また、気体または液体の流れに同伴する微粒子としては酸化チタンやシリカが一般に使用されている。しかし、これらの粒子は超臨界水中では不安定で溶解や偏析が起こり、流動のトレーサーとしては不適である。

以上のことより、超臨界水中で変化しない安定な粒子を超臨界水に同伴させてレーザードップラー法で流動状態を測定できる方法が望まれている。

図６は従来の高温高圧流体の流動状態測定システムの系統図である。この図に示すように、このシステムは、微粒子１を分散させた流体２を保持する流体タンク３と、この流体タンク３内の流体２を昇圧するポンプ１４と、流体が通る配管１９とを有する。ポンプ１４で昇圧された流体２は予熱容器７に送られる。予熱容器７はヒータ８に覆われ、ここで、液体４は上昇しながら予熱されて密度が低下しながら遷移領域５を経て超臨界流体６に変化する。この超臨界流体６は観察容器９に送られる。

観察容器９には二つの窓１０があって、一方の窓１０を通してレーザー照射器１１からレーザーが照射され、このレーザーは他方の窓１０を通って散乱検出器１２に到達する。レーザーは超臨界流体６を通過するときに一部が散乱する。散乱検出器１２で得られた信号はデータ処理装置１３で処理される。

観察容器９を出た超臨界流体６は冷却器１５で冷却され、観察容器９の圧力を保持するための圧力維持弁１６を経て、排液１７を受ける排液タンク１８に送られる。

上記システムにおいて予熱容器７内に収容されている重力を受けている微粒子１は密度の減少につれて流体の流れから遅れ、遷移領域５に蓄積してしまう。この現象は、懸濁物を含む水溶液を蒸留する時に水分だけが蒸発して、懸濁物は水溶液中に濃縮されるのと同じである。
特開平１１−２７６８５６号公報

従来の方法および装置（システム）で一般に使用されている微粒子は、超臨界水中で不安定であり、反応が流動状態に影響を与えるので、トレーサーとしては不適である。また、超臨界水中で安定な炭素微粒子を使用する方法もあるが、亜臨界以下では流体に同伴していた粒子が、超臨界流体では同伴できずに分離してしまうために、亜臨界以下の温度までしか測定できないという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、超臨界水中で変化することなく超臨界水に同伴する微粒子により流動状態を測定できる、レーザードップラー法による流動状態測定システムおよび流動状態測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の流動状態測定システムは、レーザードップラー法により高温高圧流体の流動状態を測定する流動状態測定システムにおいて、レーザー光を当てたときに散乱光を発生させる微粒子と測定対象流体との混合流体を貯留する流体タンクと、前記混合流体を加圧して流動させるポンプと、前記加圧された混合流体を予熱して超臨界流体を生成する予熱容器と、前記予熱容器で得られた超臨界流体を通過させ、レーザー光が透過する窓を有する観察容器と、前記窓を通して前記超臨界流体にレーザー光を照射するレーザー照射器と、前記窓を通して得られる散乱光を検出する散乱光検出器と、を有し、前記予熱容器内の前記混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分に、下向きの流路が形成されていること、を特徴とする。

また、本発明の流動状態測定方法は、レーザードップラー法を用いて高温高圧流体の流動状態を測定する流動状態測定方法において、レーザー光を当てたときに散乱光を発生させる微粒子と測定対象流体との混合流体を流体タンクに貯留する貯留ステップと、前記混合流体をポンプで加圧して流動させる加圧ステップと、前記加圧された混合流体を予熱容器で予熱して超臨界流体を生成する予熱ステップと、前記予熱ステップで得られた超臨界流体を、観察容器を通過させる観察容器通過ステップと、前記観察容器に設けられた窓を通して前記超臨界流体にレーザー光を照射するレーザー照射ステップと、前記窓を通して得られる散乱光を検出する散乱光検出ステップと、を有し、前記予熱容器内の前記混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分で、下向きの流路が形成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、レーザードップラー法により、超臨界水中で変化することなく超臨界水に同伴する微粒子により、流動状態を測定することができる。

以下に、図１〜図５を参照して、本発明に係る高温高圧流体の流動状態測定システムの実施形態を説明する。ここに、同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本発明に係る高温高圧流体の流動状態測定システムの一実施形態を示す。このシステムは、微粒子１を分散させた流体２を保持する流体タンク３と、この流体タンク３内の流体２を昇圧するポンプ１４と、流体が通る配管１９とを有する。ポンプ１４で昇圧された流体２は予熱容器７に送られる。予熱容器７はヒータ８に覆われ、ここで流体２は予熱されて、液体４から遷移領域５を経て超臨界流体６に変化する。この超臨界流体６は観察容器９に送られる。

本実施形態では、液体４から超臨界流体６に変化する予熱容器７の領域を下方向、例えば鉛直下向きに配置する。液体４に包まれた微粒子１は落下する過程で、周囲の液体４が遷移領域５を経て超臨界流体６に変化するので、遷移領域５に滞留することなく超臨界流体６に同伴する。この予熱容器７の領域の方向は微粒子１が落下する効果が得られる下方向の角度を有していればよいのはもちろんである。

本実施形態によれば、微粒子の流体からの分離を防止できるので、レーザードップラー法により流体の流動状態を測定することができる。

図２は、本発明に係る高温高圧流体の流動状態測定システムの予熱容器部構造の一実施形態を示す。予熱容器７の遷移領域５の断面積は液体４の領域の断面積よりも小さい構造である。断面積が同じ場合よりも遷移領域５の線速度が増加する。本実施形態によれば、遷移領域の微粒子を含有する流体の線速度が増加するので、液体から微粒子が分離するのを防止する効果が期待できる。

図３は本発明に係る高温高圧流体の流動状態測定システムの予熱容器部構造の別の実施形態を示す。液体４から遷移領域５を経て超臨界流体６に変化する部分の予熱容器７の断面積が低温部から高温部へと徐々に（連続的に）小さくなっている構造を有する。断面が急激に変化する部分が無いので、流れの淀みができ難く、壁面付近の流速の低下による微粒子の流体からの分離が起こりにくい。本実施形態によれば、流れの淀みができにくいので、微粒子の分離を防止するのに効果がある。

図４は、本発明に係る高温高圧流体の流動状態測定システムの予熱容器部構造のさらに別の実施形態を示す。予熱容器７の遷移領域５の断面積が液体４の領域よりも小さく、さらに、遷移領域５にフィン２０を有する構造である。管径が小さくなることによる伝熱面積の減少を補い、液体４から遷移領域５を経て超臨界流体６へ変化する時間が短縮され、体積膨張速度が増加し線速度の増加速度が増加する。なお、図４は図２の予熱容器７にフィン２０を付加した構造であるが、図１または図３の予熱容器７にフィン２０を付加してもよいことは言うまでもない。

本実施形態によれば、微粒子の分離が起こりやすい遷移領域の線速度の増加速度が増すので、微粒子の分離を防止するのに有効である。

図５は、本発明に係る高温高圧流体の流動状態測定システムの予熱容器部構造のさらに別の実施形態を示す。予熱容器７には注入配管３０が接続されていて、この注入配管３０から、予熱容器７内の液体４に超臨界流体６ａを注入することにより予熱容器７内の液体４の加熱行う。予熱容器７内の液体４は超臨界水６ａにより遷移領域５で急激な温度上昇と体積の膨張により超臨界水６ｂに変化する。液体４から超臨界水６ｂへの遷移領域では流体の線速度が急激に増加するので、微粒子１の流体からの分離が防止される。

さらに、ヒータによる外部からの予熱容器の加熱を併用することは、予熱容器内壁が流体より低温で表面に液体が生成して微粒子が液体に移行して流体から除去されることを防止するのに有効である。

本実施形態によれば、超臨界水の混合により液体を急激に超臨界流体に変えることができるので、微粒子の分離を防止する効果が期待できる。

以上説明した各実施形態で使用する微粒子としては、超臨界水に溶解せず、あるいはほとんど溶解せず超臨界水雰囲気で反応しない安定な物質であることが望ましい。超臨界水は有機物の溶解度が高く、シリカ、酸化チタンなどの常温では安定な物質も溶解してしまう。また、物質の超臨界水への溶解は反応を伴い、熱の出入りが起こり、流体の流れを精度良く測定する本測定の目的においては使用できない。各実施形態で使用する微粒子として、たとえば、炭素、Ｎｉ基合金、鉄系合金、Ｔｉ、白金などの金属、鉄酸化物が好適である。このような物質を使用することによって、微粒子が超臨界水と反応しないので、熱の出入りがなく、精度の高い流動状態の測定が可能である。

本発明に係る流動状態測定システムの一実施形態の系統図。本発明に係る流動状態測定システムの予熱容器の一実施形態の部分縦断面図。本発明に係る流動状態測定システムの予熱容器の他の実施形態の部分縦断面図。本発明に係る流動状態測定システムの予熱容器のさらに他の実施形態の部分縦断面図。本発明に係る流動状態測定システムの予熱容器のさらに他の実施形態の部分縦断面図。従来の流動状態測定システムの系統図。

符号の説明

１：微粒子
２：流体
３：流体タンク
４：液体
５：遷移領域
６：超臨界流体
６ａ：超臨界流体
６ｂ：超臨界流体
７：予熱容器
８：ヒータ
９：観察容器
１０：窓
１１：レーザー照射器
１２：散乱光検出器
１３：データ処理装置
１４：ポンプ
１５：冷却器
１６：圧力維持弁
１７：排液
１８：排液タンク
１９：配管
３０：注入配管

Claims

レーザードップラー法により高温高圧流体の流動状態を測定する流動状態測定システムにおいて、
レーザー光を当てたときに散乱光を発生させる微粒子と測定対象流体との混合流体を貯留する流体タンクと、
前記混合流体を加圧して流動させるポンプと、
前記加圧された混合流体を予熱して超臨界流体を生成する予熱容器と、
前記予熱容器で得られた超臨界流体を通過させ、レーザー光が透過する窓を有する観察容器と、
前記窓を通して前記超臨界流体にレーザー光を照射するレーザー照射器と、
前記窓を通して得られる散乱光を検出する散乱光検出器と、
を有し、
前記予熱容器内の前記混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分に、下向きの流路が形成されていること、を特徴とする流動状態測定システム。
前記予熱容器内の前記混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分の流路面積が上流から下流に向かって縮小するように形成されていること、を特徴とする請求項１記載の流動状態測定システム。
前記予熱容器内の前記混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分の流路面積が上流から下流に向かって徐々に縮小するように形成されていること、を特徴とする請求項２記載の流動状態測定システム。
前記予熱容器の表面にフィンが形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の流動状態測定システム。
前記予熱容器には、前記流体タンクからの混合流体の流れとは別の超臨界流体が注入されて合流する注入配管が接続されていることを特徴とする請求項２または３記載の流動状態測定システム。
前記微粒子は、炭素、Ｎｉ基合金、鉄系合金、Ｔｉおよび鉄酸化物の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか記載の流動状態測定システム。
レーザードップラー法を用いて高温高圧流体の流動状態を測定する流動状態測定方法において、
レーザー光を当てたときに散乱光を発生させる微粒子と測定対象流体との混合流体を流体タンクに貯留する貯留ステップと、
前記混合流体をポンプで加圧して流動させる加圧ステップと、
前記加圧された混合流体を予熱容器で予熱して超臨界流体を生成する予熱ステップと、
前記予熱ステップで得られた超臨界流体を、観察容器を通過させる観察容器通過ステップと、
前記観察容器に設けられた窓を通して前記超臨界流体にレーザー光を照射するレーザー照射ステップと、
前記窓を通して得られる散乱光を検出する散乱光検出ステップと、
を有し、
前記予熱容器内の前記混合流体が液体から超臨界流体に変化する部分で、下向きの流路が形成されていること、を特徴とする流動状態測定方法。