JP4683748B2 - 超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置に関するものである。具体的には、バイオマスなどの有機物質を超臨界水又は亜臨界水により分解又は反応処理するための反応装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、バイオマスなどの有機物質等に対する物理化学的な分解反応方法として、既知の薬品酸化法、光酸化法、燃焼法に代えて、特公平1−38532号公報等に開示されているように、超臨界水による分解方法が提案されている。
【0003】
この超臨界水による有機物質等の分解方法は、水の臨界条件、即ち、水の臨界温度374℃、臨界圧力220気圧を超えた条件下の超臨界水は、その極性が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非極性物質も溶解することができること。また、酸素等のガスとも任意の割合で混合するという有機物酸化分解用の反応溶媒として極めて優れた性能を示すこと。さらには、分解対象物の炭素含有率が数%であれば、酸化熱だけで臨界温度以上にまで昇温可能であるため、熱エネルギー的にも非常に優れていること。また、超臨界水で、加水分解反応や熱分解反応によりほとんどの難分解性有機物や有毒有機物等をほぼ完全に分解できること、など優れた利点がある。
【0004】
この超臨界水による分解方法は、次のフローによって実施される。即ち、被反応物質を含む流体、酸素等の酸化剤流体、超臨界水の三流体を予め混合状態あるいは一部混合状態で、超臨界水酸化の反応を行なう反応容器に供給し、水の超臨界条件下で分解対象物を酸化分解し、対象分解物を酸化過程で分解するものである。さらに反応を進めることによって、一酸化炭素や水素にまで処理することも可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の超臨界水による有機物質等の反応装置を効率的に実施できる、高温、高圧の水の超臨界状態を扱うための工業的な反応装置はまだ存在していないのが現状である。
【0006】
超臨界水による有機物質等の反応装置では、例えば、被反応物質が木粉等の有機物質である場合、有機物質を分散させた高圧水を急加熱して一定時間超臨界又は亜臨界状態を保つことにより、超臨界又は亜臨界状態での化学反応により、木粉を糖への糖化反応を行なわせることができる。その糖化反応が終った後、高温の超臨界水又は亜臨界水を急冷して反応を止めることが必要である。この糖化反応については、バッチ型及び流動型のいずれの装置でも行なうことができる。これを流動型で行なう場合、高温の超臨界水状態を実現するには、木粉を分散させた低温の超臨界圧水に高温の水を混合して反応を行なわせ、さらに、この反応の停止には、冷水を注入する過程による装置を提案するものである。
【0007】
しかし、上記した各過程を実行するためには、なおも、次のような諸点が問題となる。即ち、次のとおりである。
【0008】
(1) 木粉を高圧水に一様に分散させた状態で分布させるのが困難であること。
【0009】
(2) 木粉を含む高圧水を反応部に注入する際、噴射ノズル等の注入部に目詰まりを起し易いこと。
【0010】
(3) この場合、目詰まりを避けるために、木粉の濃度を高くすることができないこと。
【0011】
(4) 反応時間が短いため、冷水を混合して反応を止めなければならないこと。
なお、反応時間が長くなると、炭化して炭素が生じてしまうことになる。
【0012】
(5) 冷水により反応停止させるために、使用水量が多くなる。このため、反応後の糖を濃縮するプロセスが大掛かりとなること。
【0013】
(6) 微細木粉を取り扱うプロセスが別途必要となること。
【0014】
(7) 冷水による冷却過程によることから、エネルギー消費量が大きいこと。
【0015】
そこで、本発明は、有機物質等を均一に分布した状態で、木粉の目詰まりをきたすことなく、しかも、高いエネルギー効率でかつ工業的に作動させることが可能な超臨界水又は亜臨界水による有機物質等の反応装置を提供することを目的とした。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得る手段、超臨界水又は亜臨界水を被反応物質に接触させて化学反応を行なわせる手段、及び化学反応によって生じる生成物を含む水を膨張させて減圧させる手段が、シリンダとこのシリンダに設けられたピストンとからなり、このピストンを動作させることにより、水蒸気を圧縮し、化学反応の終了後にピストンを逆方向に動作させて温度と圧力を下げ、得られた生成物を含む水をシリンダから取り出して新たな蒸気をシリンダに吹き込むことにより周期的に作動させるように構成し、前記シリンダへの新たな蒸気の吹き込みを飽和蒸気のみとし、ピストンによる圧縮開始時もしくは圧縮途中もしくは圧縮終了後に、飽和液もしくは冷水を被反応物質と共にシリンダに注入するようにしたことを特徴とする。
【0018】
また、ピストンを動作させることにより水蒸気をシリンダ内の片側でのみ圧縮するようにした構成とすることができる。
【0020】
また、シリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積を、ピストンの両側に設けた構成とすることができる。
【0021】
また、ピストンの両側に圧縮膨張機を設け、それぞれにインジェクター(原料噴射装置)を設けた構成とすることができる。
【0022】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、ピストンの両側に設けたシリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積の一方で湿り蒸気を圧縮し、他方の容積は高圧に保つようにした構成を含む。
【0025】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、化学反応により得られた生成物を含む水をサイクロン又は遠心分離機により飽和水と飽和蒸気とに分離する手段を設けた構成を含む。
【0026】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置では、被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料であり、生成物がバイオマスを分解して得られる糖である構成、被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤまたは石炭の炭素含有物質から選択されるいずれかの物質であり、生成物が前記選択物質を分解して得られる一酸化炭素、二酸化炭素、水素及びメタンガスを含む合成ガスである構成、被反応物質がPETボトル等の高分子ポリマーであり、生成物が高分子ポリマー材の原料物質である構成、被反応物質がPCB、フロン、DXN(ダイオキシン)等の塩素含有物質であり、被反応物質を分解して無害化する構成、被反応物質がメタノール等の低級アルコールと廃食用油等の油脂であり、これらを超臨界水又は亜臨界水により脂肪酸エステルに変換するようにした構成などとすることができる。
【0027】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置には、被反応物質を高圧の飽和水に浸した状態で急に除圧する爆砕装置を設け、この爆砕装置で被反応物質を微細化するようにした構成を含む。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。実施の形態に係る超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置10は、図1に示すように、水蒸気を得るボイラ11と、水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得る手段、この超臨界水又は亜臨界水を有機物等の被反応物質に接触させて化学反応を行なわせる手段及びこの化学反応によって生じる生成物を含む水を膨張させて減圧させる手段としてのレシプロ型の圧縮膨張機12とを基本構成部とするものである。
【0029】
水蒸気はボイラ11で得られる。ボイラ11には、燃料Cが供給ポンプ27から供給されると同時に、空気Dがブロア28によって供給される。
【0030】
この水蒸気は圧縮膨張機12に導入される。圧縮膨張機12では、この水蒸気を圧縮することができる。即ち、反応機12は、シリンダ12aとこのシリンダ12aに設けられたピストン12bとからなる高圧圧縮膨張機である。ピストン12bの両側には容積12Aと12Bとが設けられている。ピストン12bをクランク機構13により作動させて、水蒸気を容積12Aで圧縮して超臨界水又は亜臨界水をつくり出すことができる。そして被反応物質としての木粉と接触させて、木粉に化学反応を生じさせることができる。
【0031】
この木粉は、木材チップAを爆砕器15で爆砕して木粉を微細化できる。この木粉をロータリーフィーダ14に導入すると同時に、水Bがポンプ16によって加圧状態でロータリーフィーダ14に送り込まれる。ロータリーフィーダ14で木粉を水中に拡散しながらインジェクタ14aによって、木粉が噴射する状態で圧縮膨張機12内に供給される。この場合の木粉の化学反応については、ピストン12bの上死点前後で行なわせることができる。木粉については、細かいほど化学反応し易くまた噴射ノズルの目詰まりを回避することができるから好ましい。従って、木粉を爆砕により微細化し、さらに、それをスラリー化できれば、なお好都合である。
【0032】
この木粉の化学反応が終了した後は、ピストン12bの作動により、シリンダ12a内で蒸気を膨張させて再び湿り蒸気に戻すと共に、その際の温度低下によってその反応を停止させることができる。
【0033】
このような反応過程では、高温水や冷却水は不要であり、また、ピストン12bの速度を変えることにより、木粉の反応時間が変化するので、その制御は容易である。また、シリンダ12aとピストン12bの反応機12では、圧縮時に大きな仕事を要するが、膨張時にその仕事は取り出されて打ち消すように動作する。この場合、混合や熱移動の際にエネルギー損失を伴う過程を基本としていないので、必要な正味の仕事は化学反応時の消費エネルギー、ピストン12bの摩擦エネルギー、その他ポンプ等の軽微なものだけである。従って、高いエネルギー効率で作動させることができる。
【0034】
ピストン12bが下がることよって適当な時期にポート12cを開き、湿り蒸気と共に反応生成物を追い出すように作動させる。このような動作は、二サイクル式又は四サイクル式で作動させることができるが、掃気が若干不完全でもかまわないので、ユニフロー型二サイクル式のものを使用することができる。即ち、膨張終了時にピストン12bによりポート12eが開くようにして、新しい蒸気を送入し、使用済みの蒸気を反対側の弁12cから排出すればよい。
【0035】
シリンダ12Aへの新たな蒸気の吹き込みを飽和蒸気のみとし、ピストン12bによる圧縮開始時もしくは圧縮途中もしくは圧縮終了後に、飽和液もしくは冷水を木粉と共に圧縮膨張機12に注入するようにすることができる。この際の飽和蒸気は、ボイラ11で得られたものをシリンダ12a内へ供給することができる。
【0036】
シリンダ12aとピストン12bからなる高圧圧縮膨張機への飽和蒸気の供給と同時にあるいは圧縮過程中にボイラ11からの液体分、即ち、冷水をシリンダ12a内に噴射し、シリンダ12a内の蒸気の乾き度を調整することができる。この水蒸気の乾き度が低過ぎると、噴射する冷却水量が少なくなり過ぎるからである。
【0037】
この冷水噴射時の噴流に一定量の微細木粉を均一に分散させた状態でシリンダ12a内に注入することができる。この噴射では、高速で冷水が噴射されるため、微細木粉を分散させることができると共に、木粉を飽和液で吹き飛ばすことができるので、噴射用ノズルに目詰まりが生じるのを回避し易い。また、噴射に冷水を使用するのは、必要な湿り度を得ると共に、木粉を低温(150℃以下であることが好ましい。)に保つことにより、シリンダ12a内での熱分解を防ぐためである。
【0038】
本発明には、さらに、化学反応により得られた生成物を含む水をサイクロン23(又は遠心分離機)により飽和水と飽和蒸気とに分離する手段を設けた構成を含む。
【0039】
即ち、シリンダ12aから排出された低圧湿り蒸気をサイクロン23に吹き込み、化学反応により得られた生成物を含む水を飽和水と飽和蒸気とに分離するものである。この際、サイクロン23で分離された低圧飽和蒸気は、加熱蒸気の一部を流量調整弁(計)31を設けて別に設けた動力発生機17に導いて、このエネルギーをシリンダ12aとピストン12bの高圧圧縮膨張機の動力として利用することができる。16は動力発生機17のクランク機構であり、21a〜21dは熱交換器である。これにより、装置10全体のエネルギー効率を高めることができる。また、動力発生器17で使用した蒸気については、凝縮器18で凝縮して、これをフィルター19を介してボイラ11の給水用として戻すことができる。
【0040】
サイクロン23からの反応生成物は濃縮後に気液分離器26に導入され、飽和蒸気と飽和水とに分離される。ここで、飽和蒸気と飽和水とを分離するのは、反応生成物は蒸気とはならず、液の方にだけ含まれると予想されるからである。従って、反応生成物の濃縮は、その液の加熱水蒸気をさらに分離するだけでよい。これにより、得られた反応生成物の濃縮操作を簡単化することができる。また、反応生成物は飽和蒸気中には含まれないので、それをポンプ20によりボイラ11に戻すかあるいは動力回収機17に送り込んで前記同様に動力源に利用することができる。
【0041】
図2に示されるターボ型圧縮膨張機は、ボイラ11から得られた水蒸気をターボ圧縮機の一種である遠心圧縮機34に導入する。遠心圧縮機34では、この水蒸気を圧縮して超臨界状態又は亜臨界状態をつくり出すことができる。そして、得た超臨界水又は亜臨界水を高圧反応機33に送り込んで被反応物質としての木粉を化学反応させることができる。
【0042】
木粉原料Aを木粉スラリータンク31に導入し、水と混合した上で、フィードポンプ32により連続的に高圧反応機33へ供給する。
【0043】
この木粉の化学反応は、超臨界水又は亜臨界水を高圧反応機33からラジアルタービン35へ導入することにより膨張させて湿り蒸気に戻すと共に、その際の温度低下によってその反応を停止させることができる。36はラジアルタービン35を駆動するモーターである。
【0044】
このような反応過程では、高温水や冷却水は不要であり、また、ラジアルタービン35の回転速度を変えることにより、木粉の反応時間が変化するので、その制御は容易である。また、遠心分離機34では、大きな仕事を要するが、同一軸上に配置したラジアルタービン35での膨張にその仕事は取り出されて打ち消すように作動する。タービン35を出た蒸気はサイクロン23で気液分離し、飽和蒸気はボイラー11に戻されるが、その一部はラジアルタービン37に導いて動力を発生させて発電機38から電力を得て、これを遠心圧縮機34の駆動の補助に使用する。
【0045】
また、容易に高温高圧を得るためには、図3に示されるように、遠心圧縮機34及びラジアルタービン35を二段あるいは複数段設置することができる。この場合には、二段の遠心分離機38の間に混合器37を設置し、フィードポンプ41により冷水を供給して加熱蒸気の湿り度の調整を行う。
【0046】
図4に示すように、本発明の反応装置では、ピストン12bの両側に容積を設け、蒸気を一方の容積を経由した上で、もう一方の容積に導入し、その一方のみで蒸気圧縮を行う構成を含む。このような構成にすると、両側の容積での圧力差を低減できるので、13の軸受け負荷を軽減させることが可能となる。
【0047】
図5に示す本発明の反応装置では、シリンダ12aとピストン12bとで形成される蒸気圧縮を行う容積を、ピストン12bの両側に設けた構成を含む。このような復動式の構成にすると、単位時間当りの化学反応量を高めることができる。
【0048】
29は排気後処理装置であり、上記した化学反応によって生じた排気やボイラ11で生じた排気を煙突30から大気中へ放出する。
【0049】
本発明の反応装置における被反応物質としては、木材の他、都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤ、石炭等の炭素含有物質、メタノール等の低分子アルコールと油脂、さらにはPETボトル等の高分子ポリマー、PCB、フロン、DXN(ダイオキシン)等の塩素含有物質など各種の有機系物質を対象とすることができる。
【0050】
被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス資源である場合、バイオマスを超臨界水又は亜臨界水により加水分解して糖を生成物質として得ることができる。
【0051】
また、被反応物が都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤ、石炭等の炭素含有物質から選択されるいずれかの物質である場合には、その選択物質を超臨界水又は亜臨界水により分解して一酸化炭素、二酸化炭素、水素及びメタンガスを含む合成ガスを得ることができる。この際、超臨界水を非常に高温にすると、熱分解が迅速に行なわれ、上記成分の合成ガスが生成して、超臨界状態の水に溶解する。これを低温に戻せば、合成ガスとなって可燃性ガスとなり、メタノールの原料とすることもできる。
【0052】
被反応物質がメタノール等の低級アルコールと廃食用油等の油脂である場合には、これらを超臨界水又は亜臨界水によりエステル交換反応を行い、エステル化合物を得ることができる。
【0053】
被反応物質がPETボトル等の高分子ポリマー材である場合には、有用な化学原料へと分解し回収することもできる。
【0054】
被反応物がPCB、フロン、DXN(ダイオキシン)等の塩素含有物質である場合、塩素含有物質を無害化できるまで分解することもできる。この場合、酸素などの酸化材を添加させて分解させる場合もある。
【0055】
【実施例】
次に、本発明に係る超臨界水による被反応物質の反応装置10の実施例を説明する。
【0056】
圧縮膨張機12において水蒸気を圧縮して超臨界水を得て、被反応物質の超臨界水反応を行わせる場合、圧縮終了時の圧力は臨界圧力の22.1MPa以上であり、かつ温度が臨界温度の374℃以上でなければならない。被反応物質が木粉であって、それを加水分解して糖を得る場合は、圧縮終了時の圧力が高いほど木粉の炭化を抑制することができ、また、その温度が高いほど反応速度が高いことが知られている。
【0057】
そこで、これらのことを勘案して、水蒸気の圧縮によって到達する圧力及び温度として、それぞれ25MPa及び410℃を選んだ。ここで、木粉の量は水に比べて少ないときの極限を考えて、その影響は無視できるとし、かつ圧縮中は水蒸気とシリンダとの熱交換はなく等エントロピー変化によって上記の目標点に到達すると仮定して、圧縮開始の湿り蒸気の状態を求めた。水及び蒸気の熱力学データは、日本機械学会蒸気表(1980)を参照した。
【0058】
先ず、目標点の比エントロピーsを求め、仮定した圧縮前の圧力について飽和水の比エントロピーs’及び飽和蒸気の比エントロピーs”との差(s”−s’)から目標の比エントロピーsに等しくなるような乾き度xを求めることができる。表1は、目標点の状態と圧縮前の湿り蒸気の圧力3MPaの場合について計算した結果を示す。
【0059】
【表1】
【0060】
これからわかるように、3MPaの湿り蒸気は飽和温度が234℃であり、目標点と等しい比エントロピーを得るには、乾き度xが0.752である。乾き度xが求まると、飽和水の比容積v'及び飽和蒸気の比容積v"の差(v"−v')から湿り蒸気の比容積v及び密度1/vが求められ、さらに圧縮前の比容積vと目標点の比容積v0 の比と定義する圧縮比εが求められる。
【0061】
この表からわかるように、圧縮比εは7.3であり、圧縮前のシリンダ内容積を7.3分の1まで圧縮すれば、目標とする超臨界水の状態に到達できる。もしも、反応の影響が無視できるほど小さく、かつ等エントロピー変化と仮定できるならば、目標点に達したのちはクランク機構によって膨張が進み、シリンダ内の容積が最大となり、膨張後は圧縮前と同じ状態に戻る。なお、圧縮前の水蒸気の圧力3MPaでは、木粉原料の反応を容易にするための爆砕を行うための飽和水としても使用できる。また、圧縮前の圧力が3MPaを大幅に超えると、飽和温度が高いため反応を完全に停止できなくなる可能性がある。
【0062】
次に、圧縮開始前にシリンダ内には飽和蒸気のみを送入し、被反応物質である木粉を冷水と共に噴射して、シリンダ内で良好な分布を図ると同時に、圧縮中に無用な反応の進行を抑制することについて、上記と同条件で必要な冷水の量を求めた。圧縮終わりで均一な混合がなされて湿り蒸気の場合と同じ目標点の超臨界水状態に到達するには、圧縮前の比エンタルピーが湿り蒸気の場合と同じ値となるようにすればよい。冷水の比エンタルピーをhw ’、圧縮前の湿り蒸気の比エンタルピーをhs ’、そのときの飽和蒸気の比エンタルピーをhs ”、水及び水蒸気の全質量に占める冷水の質量をyとすれば、そのことから次の関係を導くことができる。
【0063】
y=(hs ”−hs ’)/(hs ”−hw ’)
冷水の温度を50℃とし、圧縮前の蒸気圧力を3MPaとして、前記した日本機械学会蒸気表から必要な値を求めると、y=0.183である。即ち、注入すべき冷水の量は、全水量の18%でよく、残りは飽和蒸気の状態でシリンダに注入すればよい。
【0064】
実際の場合には、被反応物質の量、反応、水蒸気と壁面との熱交換など種々の影響を受けるので、上記の理想的な状態変化からずれるが、そのずれはさほど大きいものではなく、例え違いがあっても適切に設定条件に補正を加えればよい。
【0065】
次に、反応装置10に関するエネルギーの収支を、従来の反応装置である流動型超臨界水反応装置と比較して説明する。従来の反応装置である流動型超臨界水反応装置とは、図6に示すように、原料木粉が高分散された冷水Aを、目標温度(例、410℃)より高い超臨界水Wb と混合することにより、目標の超臨界水状態とし、超臨界水を冷却水Wc で急冷することにより、木粉の反応を停止させるものである。
【0066】
以下に、目標点として選んだ、25MPa及び410℃における、流動型超臨界水反応装置のエネルギー収支を計算した。150℃の被エンタルピーh150 はh150 =647.7kJ/kg、410℃ではh410 =2691kJ/kg、そして、550℃ではh550 =3337kJ/kgである。計算は、仮に、150℃の冷却水が流通しているところに、冷水の約3.165倍量(150冷水1kgについて混入する550℃の超臨界水量をakgとし、比エンタルピーの計算式h410 (1+a)=h150 +h550 aより換算)の550℃超臨界水が流入混合することにより、目標点の超臨界状態に到達し、その後冷水により超臨界水が150℃に冷却され反応が停止すると設定して行った。以上のように冷水添加により反応を停止させることから、冷水の3.15倍量の550℃超臨界水;h550 ×3.165=10560kJ/kgのエネルギーを捨てなければならない。但し、一部は、常温の冷水を150℃まで加熱するのに使うことができる。従って、図7に示すように、流動型超臨界反応装置では、10560kJ/kgからh150 ;648kJ/kg分を差し引いたβ1 9910kJ/kgがエネルギー損失分となる。
【0067】
一方、目標点として選んだ25MPa及び410℃における、本発明の反応装置10のエネルギー収支計算は、常温の冷水を3MPa、234℃に加熱し、その湿り蒸気を、反応膨張機による圧縮により目標点(25MPa、410℃)に到達させ、その後膨張により超臨界水が冷却され、再度234℃になるとして設定して行った。3MPa、234℃、乾き度0.752の湿り蒸気の比エンタルピーは、2357kJ/kg、410℃ではh410 =2691kJ/kgである。図8より、湿り蒸気の比エンタルピー(2691kJ/kg)のうちほとんどがエネルギー回収され、化学反応に伴う不可逆変化、つまり、シリンダ内液体とシリンダ壁面との間の熱交換、ピストン及びクランク機構などの摩擦等の軽微な部分だけが僅かにエネルギー不可逆損失分となる。また、圧縮膨張機の圧縮仕事は、比内部エネルギーuに、u=h−pv(h:比エンタルピー、p:圧力、v:比容積)の関係より、313kJ/kgである(水及び蒸気の熱力学データは、日本機械学会蒸気表(1980)を参照した。)。膨張によって圧縮仕事のほとんどは回収されるが、反応、熱損失、摩擦などが不可逆損失分として生じ、その損失分は動力発生機により補われる。その機械的な不可逆損失分は、圧縮膨張機と動力発生機の仕事損失合計が28%であるとすれば、約122kJ/kgである。その損失分は動力発生機により補われることから、動力発生機の理論熱効率を33%とすると、動力発生機で約370kJ/kgの熱が必要となる。従って、圧縮膨張機及び動力発生器におけるエネルギー損失分β’は、370kJ/kgであり、流動型反応装置の9910kJ/kgの27分の1に過ぎない。また、本反応装置10は、爆砕機を負荷したものであるが、爆砕機に関するエネルギーは、反応装置10も流動型反応装置でも変わりないため、エネルギー収支の計算からは省いている。
【0068】
以上のように、反応装置10は、従来の流動型反応装置と比較して、エネルギー損失が非常に少なく、必要エネルギーが極めて少ない。
【0069】
【発明の効果】
上記したように本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は構成されるから、次のような効果が発揮される。
【0070】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、これまで難しかった超臨界水又は亜臨界水中で生じる非常に高速な反応の反応時間、温度等を制御することが可能となった。
【0071】
この超臨界状態及び亜臨界状態での反応により、被反応物質である木材原料等を糖に変換し、さらにエタノール変換装置に給する。
あるいは木材原料等を一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水素等の分子にまで分解して、メタノール合成装置に供給することが可能となった。
【0072】
これらの手段が、水蒸気を圧縮することにより生じた超臨界状態又は亜臨界状態により化学反応を起こさせ、その超臨界水又は亜臨界水を膨張させることにより温度と圧力を下げ反応を停止させることにより、超臨界状態又は亜臨界状態での反応のエネルギー効率が極めて高い装置を提供することが可能となった。
【0073】
また、シリンダとピストンとで蒸気圧縮を行う容積をピストンの両側で行う構成にした復動型とする場合には、反応の生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図2】超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図3】超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図4】本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図5】本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図6】比較例としての流動型超臨界水又は亜臨界水反応装置における行程を説明する図である。
【図7】比較例としての流動型超臨界水又は亜臨界水反応装置における過程の比エンタルピーを示す図である。
【図8】本発明に係る超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置における過程の比エンタルピーを示す図である。
【符号の説明】
10 超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置
11 ボイラ
12 圧縮膨張機
12a シリンダ
12b ピストン
12c 弁
12d 孔
12e ポート
12f 孔
12A 圧縮膨張空隙
12B 12Aの反対空隙
13 クランク機構
14 ロータリーフィーダ
15 爆砕器
16 クランク機構
17 動力発生機
18 凝縮器
21a〜21d 熱交換器
23 サイクロン
26 気液分離器
31 流量調整弁
32 ガス分離清浄器
A 原料
B 浄水
C 燃料
D 空気
E 給水
F 生成物
G ドレン蒸気
H 冷却水
Claims (12)
- 水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得る手段、超臨界水又は亜臨界水を被反応物質に接触させて化学反応を行なわせる手段、及び化学反応によって生じる生成物を含む水を膨張させて減圧させる手段が、シリンダとこのシリンダに設けられたピストンとからなり、
このピストンを動作させることにより、水蒸気を圧縮し、化学反応の終了後にピストンを逆方向に動作させて温度と圧力を下げ、得られた生成物を含む水をシリンダから取り出して新たな蒸気をシリンダに吹き込むことにより周期的に作動させるように構成し、
前記シリンダへの新たな蒸気の吹き込みを飽和蒸気のみとし、ピストンによる圧縮開始時もしくは圧縮途中もしくは圧縮終了後に、飽和液もしくは冷水を被反応物質と共にシリンダに注入するようにしたことを特徴とする超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。 - ピストンを動作させることにより水蒸気をシリンダ内の片側でのみ圧縮するようにした請求項1に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- シリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積を、ピストンの両側に設けた請求項1に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- ピストンの両側に圧縮膨張機を設け、それぞれに原料噴射装置を設けた請求項3に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- ピストンの両側に設けたシリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積の一方で湿り蒸気を圧縮し、他方の容積は高圧に保つようにした請求項3または4に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 化学反応により得られた生成物を含む水をサイクロン又は遠心分離機により飽和水と飽和蒸気とに分離する手段を設けた請求項1〜5のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料であり、生成物がバイオマスを分解して得られる糖である請求項1〜5のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤまたは石炭の炭素含有物質から選択されるいずれかの物質であり、生成物が前記選択物質を分解して得られる一酸化炭素、二酸化炭素、水素及びメタンガスを含む合成ガスである請求項1〜5のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 被反応物質が高分子ポリマーであり、生成物が高分子ポリマー材の原料物質である請求項1〜5のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 被反応物質が塩素含有物質であり、被反応物質を分解して無害化する請求項1〜5のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 被反応物質が低級アルコールと油脂であり、これらを超臨界水又は亜臨界水により脂肪酸エステルに変換するようにした請求項1〜5のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
- 被反応物質を高圧の飽和水に浸した状態で急に除圧する爆砕装置を設け、この爆砕装置で被反応物質を微細化するようにした請求項1〜11のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
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