JP2010253395A - 分解液の排出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分解槽の排出配管を流れる分解液の流速低下に伴う排出配管の閉塞を防止し、分解槽から分解液を効率的に排出することができる分解液の排出方法を提供する。
【解決手段】超臨界又は亜臨界の状態で被分解物を分解する分解槽１内から内圧を利用して分解液２を排出配管５を通じて排出する方法において、分解槽１内の気相部分Ａに気体９を供給して分解液２の排出に伴う分解槽１内の内圧低下を補うとともに、分解液２を攪拌しながら分解槽１内から分解液２を排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、分解液の排出方法に関するものである。

従来より、例えば、有害物を無害化分解することや、食品廃棄物等を分解して再資源化することや、プラスチック廃棄物等のプラスチック成形品を分解して有機酸、アルコール等のプラスチックの合成原料やＦＲＰ（繊維強化プラスチック）中の補強繊維等を回収して再利用できるようにするために、超臨界又は亜臨界状態の水熱反応によって分解する方法（例えば、特許文献１参照）や様々な装置の構成が提案されている。

しかしながら、超臨界又は亜臨界の状態でのプラスチック成形品の分解においては、ＦＲＰからのガラス繊維や炭素繊維等の補強繊維の回収を伴う場合をはじめ、破砕した粒状のプラスチックを含む被処理混合液は固液混合のスラリー状となるため、連続的に分解槽内に原料を供給し、連続的に分解槽内から分解液を取り出すことは、必ずしも容易ではないという問題がある。その理由は、第１には、スラリー液を高温高圧で送液するポンプが高価であり、固形物による部品の磨耗等の耐久性に問題が生じやすいことであり、第２には、反応性を確保しつつ、分解槽に残留した未反応固形物の全量排出が困難であることによる。特にプラスチック成形品がＦＲＰの場合、比重の重いガラス繊維や炭酸カルシウム等の無機物成分が未反応のまま残り、沈降性の高いこれらの成分を伴う分解液の排出は難しい。

したがって、このような場合には、回分式の分解装置が採用される。回分式の分解装置はバッチ処理であり、投入した原料は１バッチの反応後、分解装置の底部に接続された取り出し部としての排出配管からそのまま全量抜き出される操作となる。反応生成物を含む分解液を分解槽から取り出すにあたっては、分解槽内は液体を超臨界又は亜臨界状態にしているために高温・高圧の状態にあることから、分解槽内を常温にまで冷却する必要がある。また、分解液を取り出すために分解槽内を常圧にまで減圧する必要がある。しかしながら、常温常圧まで分解液を冷却するには長時間必要であり、１バッチの処理時間を長引かせる主要因となっていた。

そこで、分解槽内の圧力が常圧まで下がるのを待たずに、分解液液温１００℃以上の高温高圧状態で分解液を分解槽に接続された排出配管から排出させ、次いで冷却器にて冷却して取り出す分解装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。１００℃以上の高温高圧状態からの排出であれば、槽内圧が大気圧以上のため、槽内の系を外部の系に開放することにより、特別な取り出し手段を設けることなく排出させることが可能である。しかしながら、この分解装置においては、分解液の排出により分解槽内の分解液量が減少すると、分解槽内の内圧が低下する。それに伴い、排出配管を流れる分解液の流速が低下し、分解液中の固形物により排出配管の閉塞が生じやすくなるという問題があった。

国際公開第２００４／０４１９１７号パンフレット 特開２００８−２６４７６３号公報

本発明は、上記のとおりの背景から、従来の問題点を解消し、分解槽の排出配管を流れる分解液の流速低下に伴う排出配管の閉塞を防止し、分解槽から分解液を効率的に排出することができる分解液の排出方法を提供することを課題としている。

本発明は以下のことを特徴としている。

第１には、超臨界又は亜臨界の状態で被分解物を分解する分解槽内から内圧を利用して分解液を排出配管を通じて排出する方法において、分解槽内の気相部分に気体を供給して分解液の排出に伴う分解槽内の内圧低下を補うとともに、分解液を攪拌しながら分解槽内から分解液を排出することを特徴とする。

第２には、上記第１の発明において、分解槽内の気相部分が排出配管と連通しないような攪拌速度で分解液を攪拌することを特徴とする。

第３には、上記第２の発明において、分解液の排出中、分解槽内に残存する分解液量に応じて攪拌速度を調整することを特徴とする。

第１の発明によれば、分解液の排出による分解槽内の内圧低下を分解槽内の気相に気体を供給して補っているので、排出配管を流れる分解液の流速低下が抑えられ、分解槽から分解液を効率よく短時間で排出することができる。また、分解液の流速低下に伴う分解液中の固形物による排出配管の閉塞を防止することができる。さらに本発明は、分解液を攪拌しながら分解槽内から分解液を排出しているので、分解槽底部に固形分が滞留して粘度が高くなった分解液が排出配管に流れて閉塞が生じることを防止することができる。

第２の発明によれば、分解槽内の気相が排出配管と連通しないような攪拌速度で分解液を攪拌しているので、上記第１の発明の効果に加えて、より一層効率よく分解槽から分解液を排出することができる。

第３の発明によれば、分解槽内に残存する分解液量に応じて攪拌速度を調整しているので、上記第１及び第２の発明の効果に加えて、より効果的に排出配管の閉塞を防止しつつ、分解槽から分解液を効率よく短時間で排出することができる。

本発明に係る分解液の排出方法を説明するための分解装置の概要構成図である。 本発明に係る分解液の排出方法を説明するための分解装置の要部概要図である。

図１は、被分解物を分解し、その分解液を回収する分解装置を示している。

この分解装置は、超臨界又は亜臨界の状態で流体にて被分解物を分解する分解槽１と、分解槽１内の被分解物と流体との混合液またはその分解液２を攪拌する攪拌速度が調整可能な攪拌手段３と、この攪拌手段３の攪拌速度を調整する制御部４と、分解槽１内から分解液２を排出する排出配管５と、この排出配管５から排出した分解液２を回収する分解液回収槽６と、排出配管５の途中に設けられる分解液２を冷却する冷却器７と、分解槽１に気体９を供給する気体供給手段８を備えている。

分解槽１は、円筒形で耐圧性に形成され、その外周にはヒーターや熱媒ジャケット等で形成される加熱手段１０が設けられている。また分解槽１には、温度センサー等で形成される温度検出器１９が差し込まれており、上部には分解槽１内の圧力を測定する圧力ゲージ等で形成される圧力検出手段２０が設けられている。この温度検出器１９及び圧力検出手段２０で分解槽１の温度、圧力をそれぞれ検出しながら、加熱手段１０を制御して最適温度での加熱を行い、被分解物を分解するようにしている。

被分解物は、例えば、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム等の無機充填材やガラス繊維等の無機繊維を含む繊維強化プラスチック等のプラスチック成形品である。プラスチック成形品は分解反応がし易くなるように粉砕して粉粒状にし、水等の流体と共に分解槽１に投入される。プラスチック成形品は通常疎水性であるため水等の流体と馴染みにくく、しかも粉砕したプラスチック成形品の粉粒体は空気を噛んでいるために液面に浮き易い。プラスチック成形品と流体との混合が不十分であると、プラスチック成形品の分解の効率が悪くなるため、本実施形態では、プラスチック成形品と流体との混合を十分なものとするために、攪拌装置１１を備えた前処理槽１２を備えている。この前処理槽１２は原料供給配管１３を介して分解槽１に接続されている。前処理槽１２にプラスチック成形品の粉粒体と水等の流体が投入され、攪拌装置１１により十分に攪拌混合して流体中にプラスチック成形品が馴染んでスラリー状にした後、液送ポンプ１４で原料供給配管１３を通じてプラスチック成形品と流体のスラリー１５を分解槽１に供給するようにしている。これによって、プラスチック成形品の分解が効率良く行われる。

分解槽１に供給されたプラスチック成形品の粉粒体が分解槽１底部に沈降して分解反応が受け難くなることを防止したり、加熱時にプラスチック成形品の粉粒体が分解槽１内壁面に固着したりすることを防止するなど、プラスチック成形品の粉粒体の流体に対する攪拌混合性を高めて流体との反応効率を向上させるために、プラスチック成形品の最大粒径が１〜３０ｍｍ程度、好ましくは最大粒径が１０ｍｍ以下になるように粉砕して使用するのが好ましい。プラスチックの最大粒径は小さいほど望ましいものであり、粉砕可能であればいくら小さくてもよい。

分解槽１に設けられた攪拌手段３は、回転軸３１とこれに取り付けられた複数の攪拌翼３２を有しており、分解槽１の上部に設けられたモータ１６の駆動によって回転軸３１を回転させ、分解槽１内の被分解物と流体との混合液（スラリー）またはその分解液２を攪拌する。制御部４は、モータ１６と電気的に接続され、攪拌手段３の回転軸３１の回転数を制御して所望の攪拌速度に調整できるようになっており、分解槽１内の混合液または分解液２の状態に応じて、攪拌速度を適宜調整することが可能である。攪拌速度は、攪拌手段３の攪拌翼３２の形状による違いはあるものの、例えば、ＦＲＰ等のプラスチック成形品の粒径が１０ｍｍ以下の場合、攪拌速度７０ｒｐｍ（攪拌翼先端周速度２．６ｍ／ｓ）で攪拌すれば、内径１．２ｍ、有効容積２．４ｍ^３の分解槽１において効果的に分散する。

分解槽１の底部には排出配管５の一端が排出口１７を介して接続され、他端は分解液回収槽６に接続されている。排出配管５には、排出用開閉弁５１が設けられており、この排出用開閉弁５１を開くことによって分解槽１内の高温高圧状態の分解液２が排出口１７から排出され、排出配管５を通じて分解液回収槽６に回収される。排出配管５の途中には分解液２を冷却するための円筒多管式熱交換器等の冷却器７が設けられており、この冷却器７によって分解液２が冷却され、冷却した分解液２が分解液回収槽６に蓄えられるようになっている。

排出配管５には、分解液２の流量を調整するための流量調整開閉弁５２が、排出用開閉弁５１よりも下流側に位置する冷却器７の入口側に設けられている。この流量調整開閉弁５２は、電磁弁等で形成されて連続的に開度を調整できるようになっており、開度に応じて分解液２の流量の調整ができるようになっている。流量調整開閉弁５２は冷却器７の出口側に設けてよいが、この場合冷却器７を耐圧性の圧力容器にする必要がある。さらに排出配管５には、分解液２の流量を検出する流量検出手段１８が排出用開閉弁５１と流量調整開閉弁５２との間の位置に設けられている。

気体供給手段８は、分解槽１の上部に接続される気体供給配管２１で構成され、気体供給配管２１から気体９が供給される。気体９としては、分解液２と反応しないものがよく、空気、窒素ガスやアルゴンガス等が挙げられる。例えば、気体９として空気を供給する場合には、気体供給配管２１の分解槽１側とは反対側の一端を大気中に開放し、ポンプ等で気体９を供給する。気体９として窒素ガスやアルゴンガスを供給する場合、これらの気体９を封入したボンベを気体供給配管２１の分解槽側とは反対側の一端に接続して気体９を供給する。気体供給配管２１には気体供給開閉弁２１１が設けられており、この気体供給開閉弁２１１を開閉することにより気体９の供給を調整している。

また、分解槽１の上部には、分解液２の蒸気を排出する配管２２が接続されている。その配管２２に設けられた開閉弁２２１を開くと、分解液２の蒸気が配管２２を通じて分解槽１外に放出され、分解槽１内が減圧する。このように分解槽１内が減圧すると分解槽１内の分解液２が気化し、その際の気化熱によって分解液２の温度が下がり、分解液２が冷却される（フラッシュ冷却）。気化して配管２２に放出された蒸気は、冷却水等の冷媒が循環している凝縮器２３に送られて熱交換され、流体として回収槽２４に回収される。

以上の構成の分解装置を用いて、次のように被分解物の分解処理をおこなう。

まず被分解物と水等の流体とを前処理槽１２に投入して十分に攪拌混合してスラリー状にし、このスラリー１５を分解槽１に供給する。分解槽１にスラリー１５を供給した後、分解槽１を密閉状態にして攪拌手段３で攪拌しながら加熱手段１０で加熱する。温度検出器１９で分解槽１内の温度を、圧力検出手段２０で分解槽１内の圧力を、それぞれ検出しながら加熱手段１０で加熱をおこない、検出された温度と圧力に応じて加熱を制御することによって分解槽１内の流体が超臨界又は亜臨界の状態になる温度・圧力を維持し、この超臨界又は亜臨界の状態の流体を反応触媒として被分解物を分解することができる。例えば、被分解物として不飽和ポリエステル樹脂成形品を用い、流体として水を用いる場合、プラスチック成形品濃度１０〜１５ｗｔ％、分解温度１８０〜２５０℃、圧力１．０〜４．０ＭＰａに調整し、水を超臨界状態又は亜臨界状態に維持して１〜４時間反応させることによって、不飽和ポリエステル樹脂をエステル交換反応させ、スチレンマレイン酸共重合体や多価アルコール等のモノマーに分解することができる。また、被分解物として、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を用いると、分解液２にはＦＲＰ中の炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム等の無機充填材やガラス繊維等の無機繊維が固形物として含まれることになる。

所定の分解処理時間経過後、分解液２の冷却を行う。例えば、分解槽１の上部に設けられた配管２２の開閉弁２２１を開いて分解槽１内の分解液２の蒸気を配管２２を通じて放出させ、分解槽１内を減圧する。上述したように、分解槽１内を減圧すると、分解槽１内の分解液２が気化し、その際の気化熱によって分解液２の温度が下がり、分解液２が冷却される。分解槽１内の温度が１２０℃〜１６０℃程度になるまで冷却を継続し、本実施例では１３０℃になるまで冷却を継続している。なお、このときの分解槽１の内圧は飽和蒸気圧に等しい０．２７ＭＰａである。

分解液２の排出は、排出用開閉弁５１及び流量調整開閉弁５２を操作することにより、排出口１７から排出配管５を通じて分解液２を排出する。分解槽１の内圧が０．２７ＭＰａと大気圧以上であるため、排出用開閉弁５１及び流量調整開閉弁５２を開くだけで分解液２は分解槽１から排出される。高温高圧状態で排出された分解液２は、冷却器７によりその液体の常圧での飽和温度（水では１００℃）以下まで冷却され、分解液回収槽６に貯留される。このとき、分解液２は分解槽１の内圧により加圧されて排出されるため、流速が速く、分解液２中に含まれる固形物が排出配管５内に沈降することを抑制することができる。

分解槽１内の分解液２は、排出するにつれて容量が減少し、それに伴い気相部分Ａの容積が増える。温度Ｔが一定の場合、ボイルの法則によりＰＶ＝一定であるから、分解槽１内の圧力が低下して、分解液２の排出流量が減少する。そのため、本実施形態では、流量検出手段１８にて排出配管５の排出流量を検出し、排出流量が所定値（例えば初期流量の７０％）以上に維持されるように、気体供給手段８により気体を分解槽１内の気相部分Ａに供給して分解槽１内の圧力を一定に制御する。気体９の供給量は気体供給開閉弁２１１の開度制御によって行う。このような制御は、分解液２の排出初期から行ってもよいし、排出流量が所定値以下になった時点で行うようにしてもよい。

また、圧力検出手段２０にて分解槽１内の圧力を検出し、分解槽１内の圧力が所定値（例えば０．１５ＭＰａ）以上に維持されるように、気体供給手段８により気体９を分解槽１内の気相部分Ａに供給して分解槽１内の圧力を一定に制御する。気体９の供給量は気体供給開閉弁２１１の開度制御によって行う。このような制御は、分解液２の排出初期から行ってもよいし、分解槽１内の圧力が所定値以下になった時点で行うようにしてもよい。

このように気体供給手段８により気体９を分解槽１内の気相部分Ａに供給することで、分解液２の排出に伴う分解槽１内の内圧低下を補い、排出配管５を流れる分解液２の流速低下を抑え、分解槽１から分解液２を最後まで効率的に短時間で排出することができる。

さらに本実施形態では、攪拌手段３で分解液２を攪拌しながら分解液２を分解槽１から排出している。所定の分解処理時間を経て、加熱手段１０による加熱をやめた分解処理終了後の分解槽１内の分解液２中には、被分解物の無機成分とともに、被分解物の有機成分の一部が完全に分解されずにあるいは流体に溶解されずに固形物として残存している。被分解物の無機成分及び有機成分の未分解物や未溶解物の大きさは様々であって各種寸法のものが混在している。このような固形物を含む分解液２を攪拌せずに放置しておくと固形物が沈降して分解槽１底部に滞留し、分解液２の粘度が高くなる。この状態の分解液２を排出配管５に流すのは排出効率が悪いだけでなく、排出配管５の閉塞の原因となる。そこで、本実施形態では、固形物が分解槽１底部に滞留しないように、攪拌手段３で分解液２を攪拌しながら分解液２を排出している。その際の攪拌速度は、分解処理時の攪拌速度を維持すればよい。例えば、粒径１０ｍｍ以下のプラスチック成形品を分解処理した分解液２の場合、攪拌速度７０ｒｐｍ（攪拌翼３２先端周速度２．６ｍ／ｓ）で攪拌すれば、内径１．２ｍ、有効容積２．４ｍ^３の分解槽１において固形物が分解液２中に分散する。この攪拌速度で分解液２を攪拌すると、分解槽１内の分解液２の液面が攪拌手段３の回転軸３１を中心に凹んだ凹面となり、分解槽１内壁面付近の液面よりも攪拌手段３の回転軸３１付近の液面の高さが低くなる。

分解液２の排出が進行していくと、分解槽１内の分解液２の容量が減少し、気相部分Ａが増加する。分解槽１内の分解液２の容量が少なくなった排出終期においては、分解液２の攪拌により分解液２の液面が凹面になっていること、及び気体供給手段８により分解槽１内の気相部分Ａに気体９を供給して分解槽１内の圧力を所定値以上に維持していることとが合わさって、図２に示すように分解槽１の気相部分Ａが排出配管５と連通してしまう場合がある。この場合、分解槽１内の全ての分解液２を排出配管５に流すことは難しい。これを解消するためには、分解液２の攪拌を停止する必要があり、作業効率の低下が懸念される。

そこで、本実施形態では、分解槽１内の気相部分Ａが排出配管５と連通しないような攪拌速度で分解液２を攪拌することが好ましい。例えば、攪拌翼３２の形状にもよるものの、粒径１０ｍｍ以下のプラスチック成形品を分解処理した分解液２の場合、攪拌速度３０ｒｐｍ（攪拌翼３２先端周速度１．１ｍ／ｓ）で攪拌すれば、内径１．２ｍ、有効容積２．４ｍ^３の分解槽１において固形物が沈降せず、排出中に分解槽１内の気相部分Ａが排出配管５と連通することもない。したがって、排出流量が低下することなく、かつ、分解槽１内の分解液２の残留はほとんど見られず全量排出が可能である。攪拌速度は制御部４で調整される。ここで、内径１．２ｍ、有効容積２．４ｍ^３の分解槽１において粒径１０ｍｍ以下のプラスチック成形品を分解処理した分解液２を排出する場合、例えば、分解液２の排出当初から排出が終わるまで攪拌速度を３０ｒｐｍにして攪拌することとしてもよい。または、分解液２の排出当初は分解処理時の攪拌速度７０ｒｐｍと同じ攪拌速度を維持し、排出の進行に伴い、分解槽１内に残存する分解液２量に応じて最終的に攪拌速度が３０ｒｐｍになるように制御部４で調整するようにしてもよい。前者の場合、分解槽１内の分解液２をより確実に全量排出できる利点がある。後者の場合、分解液２中に含まれる固形物をより確実に排出できる利点がある。

１ 分解槽
２ 分解液
３ 攪拌手段
５ 排出配管
８ 気体供給手段
９ 気体
Ａ 気相部分

Claims (3)

1. 超臨界又は亜臨界の状態で被分解物を分解する分解槽内から内圧を利用して分解液を排出配管を通じて排出する方法において、分解槽内の気相部分に気体を供給して分解液の排出に伴う分解槽内の内圧低下を補うとともに、分解液を攪拌しながら分解槽内から分解液を排出することを特徴とする分解液の排出方法。
2. 分解槽内の気相部分が排出配管と連通しないような攪拌速度で分解液を攪拌することを特徴とする請求項１に記載の分解液の排出方法。
3. 分解液の排出中、分解槽内に残存する分解液量に応じて攪拌速度を調整することを特徴とする請求項２に記載の分解液の排出方法。

Images