JP5137051B2 - 高温高圧流体の反応装置ならびに製造装置 - Google Patents
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本発明者らは、マイクロ熱交換器による間接熱交換方式で、超臨界流体反応装置を開発するにあたり、間接熱交換方式による短時間昇温の可能性を検討した。内径0.25mm、od/id=3のモノチューブ中を流れる高圧水の軸方向昇温過程を求めた。管の表面温度を400℃とし、管内部を流れる27℃の高圧水の温度上昇を、軸方向に対して概算した結果を、図1に示す。この結果から、高圧水を、27℃から400℃に加熱するには、約0.01〜0.05秒の昇温時間で十分実施できることが判明し、間接熱交換方式が、高温高圧流体の製造に有用であることが分かった。
予熱器については、所定の耐圧性能を満足するように選定された、内径/外径比、及び一定の長さを持つ単一の金属細管からなり、その長さは、反応温度、管材金属の電気抵抗値、内部を通過する流体の加熱に必要な電力と伝熱能力、及び内部を通過する流体による圧力損失等を検討することにより決定されるが、例えば、外径1.5〜6.4mm、内径0.2〜1.0mm、長さ200〜600mmの金属細管からなる。この細管の両端には、電極端子部分が接合された構造となっている。この1対の電極端子は、導電性の良好な金属ブスバーによって電源装置と接続され、金属細管に直接通電して、金属細管をジュール加熱することにより、その内部の作動流体を所定の温度に昇温する。このとき、電極端子の接続部分では、金属同士の接触面に大きな電流が流れることから、導電性の良い金属端子、例えば、純銅のブロック等を利用して、接触面積が大きくなるように電極端子全体を挟み込むようにしてブスバーと接続される。通電された金属細管は、ジュール加熱によって電流量に応じて発熱し、内部を流れる作動流体と、内壁を通じた熱交換により流体の加熱が行われる。この場合の金属細管用材料としては、例えば、ステンレススチール、ニッケル合金が好適であり、ニッケル合金、特にインコネル625がより好適である。通電部分は、装置の他の構成部分からは電気的に絶縁されており、電流は予熱器部分に限定して流れる。
本実施例では、外径1.6mm、内径0.25mmのニッケル合金(インコネル625)製の細管で、その長さは210mmの金属細管を有する予熱器を使用した。金属細管の両端には、直径10mm、長さ30mmのニッケル合金(MA718)製の電極端子部分が接合された構造となっており、その中心には、直径0.5mmの微細穴が貫通しており、前述の金属細管内の流路と通じる構造とした。この微細穴の他端は予熱器の上下流の配管と接続した。この1対の電極端子は、電源装置から伸ばされた導電性の良好な金属ブスバーによって電源装置と接続し、通電した。通電された金属細管は、ジュール加熱によって電流量に応じて発熱し、内部を流れる作動流体と、内壁を通じた熱交換により流体の加熱を行った。
反応器は、外径3.18mm、内径0.5mmのニッケル合金(インコネル625)製の金属細管からなり、その長さは350mmとした。また、反応器全体にシリカウールの断熱材を巻くことによって簡便な断熱構造として内部の作動流体の温度を維持した。
冷却器は、外径1.6mm、内径0.25mm、長さは1000mmのニッケル合金(インコネル625)製の、単一の金属細管よりなり、その周囲を流れる冷媒(例えば、水)と熱交換を行って、常温程度の温度まで急速に冷却した。
Claims (5)
- 予熱器、反応器、及び冷却器を配設した、1秒以下の急速昇温を必要とする化学反応を行わせるための高温高圧流体反応装置において、単一の金属細管で構成された予熱器、及び該金属細管内に導入された反応基質を含む作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有する高温高圧流体反応装置であって、
1)上記金属細管の内径が、1mm又はそれより小さい径であり、2)上記予熱器内に導入される作動流体が、水、二酸化炭素、アルコール類、炭化水素類、又はこれらの2以上からなる、反応基質を含む混合流体であり、3)上記作動流体が、上記予熱器内で亜臨界ないし超臨界状態の流体に変換され、4)上記予熱器が、室温近傍の純水からなる作動流体を0.1秒又はそれより短時間で400℃まで昇温させる機能を有し、5)冷却器が、単一の金属細管、又は多方継手構造により複数の金属細管を集合した構造の金属細管で構成されていること、を特徴とする高温高圧流体反応装置。 - 予熱器と反応器を、別体又は一体に構成した請求項1に記載の高温高圧流体反応装置。
- 冷却器が、金属細管内の作動流体を冷媒により間接的に冷却する間接熱交換器である請求項1に記載の高温高圧流体反応装置。
- 請求項1から3のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置を1モジュールとして、複数組み合わせたことを特徴とする高温高圧流体反応装置。
- 作動流体を加熱して高温高圧流体とする、1秒以下の急速昇温を必要とする化学反応を行わせるための高温高圧流体製造装置において、作動流体を加熱するための単一の金属細管、及び該金属細管内に導入された作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有する高温高圧流体製造装置であって、
1)金属細管の内径が、1mm又はそれより小さい径であり、2)該金属細管内に導入される作動流体が、水、二酸化炭素、アルコール類、炭化水素類、又はこれらの2以上からなる、反応基質を含む混合流体であり、3)上記作動流体が、上記金属細管内で亜臨界ないし超臨界状態の流体に変換され、4)上記作動流体を加熱するための金属細管が、室温近傍の純水からなる作動流体を0.1秒又はそれより短時間で400℃まで昇温させる機能を有していること、を特徴とする高温高圧流体製造装置。
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