JP6831303B2 - 相互作用方法及び相互作用装置 - Google Patents

Description

本発明は、相互作用方法及び相互作用装置に関する。

従来、気体と液体が相互作用を生じながら流通するのを許容するマイクロチャネルが内部に設けられた流路装置と、マイクロチャネルから流れ出た相互作用後の気体と液体の混合流体を受け入れてその混合流体を気体と液体とに上下に分離させる分離器とを備える相互作用装置を用いた気体と液体との相互作用方法が知られている。例えば、下記特許文献１には、このような相互作用方法及びその相互作用方法に用いる相互作用装置の一例が開示されている。

具体的に、下記特許文献１には、相互作用装置の一例としての吸収装置と、相互作用方法の一例として前記吸収装置を用いた吸収方法が開示されている。前記吸収装置は、マイクロチャネルが内部に設けられた流路装置と、流路装置の上流に設けられた圧縮機及びポンプと、流路装置の下流側に接続された気液分離装置とを備えている。

圧縮機は被吸収成分を含む気体を圧縮して流路装置のマイクロチャネルへ送り、ポンプは吸収液を流路装置のマイクロチャネルへ送る。マイクロチャネルでは、圧縮機から送られた気体とポンプから送られた吸収液とが流れながらその気体から吸収液への被吸収成分の吸収が生じる。

気液分離装置は、マイクロチャネルから排出された吸収処理後の気体と吸収液との混合流体を気体と液体とに分離する。具体的には、気液分離装置は、マイクロチャネルの下流側に繋がる分離器を有し、マイクロチャネルから排出された混合流体がこの分離器の内部空間に流入するようになっている。この内部空間に流入した混合流体は、当該内部空間で一時的に貯留され、それによって気体と液体とに上下に分離する。そして、分離器の内部空間で分離した気体は当該分離器の上端から排出される一方、分離器の内部空間で分離した液体は当該分離器の下端から排出されるようになっている。

特開２０１５−１３２４７号公報

ところで、相互作用装置の通常の運転時にはマイクロチャネルにおける気体と液体との相互作用の効率を高めるため、従来から前記のように圧縮機で気体を圧縮して所定の圧力まで昇圧してから当該気体をマイクロチャネルに導入している。一方、相互作用装置の運転停止時には、マイクロチャネルに当該気体は導入されておらず、そのため、マイクロチャネル内の圧力は低下している。このため、マイクロチャネルに相互作用の対象の気体と液体を導入してその気体と液体との相互作用を開始する前にマイクロチャネル内の圧力を相互作用に適した圧力に昇圧する必要がある。しかしながら、従来の相互作用装置で一般的に行われている方法では、その昇圧に長い時間がかかる。

具体的に、従来、一般的に行われている方法では、マイクロチャネルにおける気体と液体との相互作用を開始する前に、まず、相互作用の対象の気体と液体のうちの気体のみをマイクロチャネルに導入することでそのマイクロチャネル内を相互作用装置の通常の運転時にマイクロチャネルを含む流通ラインに生じる圧力と等しい圧力まで昇圧する。しかしながら、マイクロチャネルに導入した気体は相互作用装置の流通ラインのうちそのマイクロチャネルの下流側の領域にも流れる。特に、マイクロチャネルの下流側に繋がる分離器の内部空間は大きな容積を持っており、この分離器の内部空間が気体で満たされて昇圧するまでマイクロチャネル内も所望の圧力まで昇圧されないが、狭いマイクロチャネルを通って流れる気体の流量はあまり多くないから、このような流量の気体で分離器の内部空間が昇圧するまでには時間がかかり、ひいてはマイクロチャネル内が昇圧するまでに長い時間がかかる。

昇圧時間を短縮するためには、例えば、気体をより高圧に圧縮してより大流量でマイクロチャネルに導入し、そのマイクロチャネルを通して分離器の内部空間に流入する気体の流量を増加させることが考えられるが、この場合には、マイクロチャネルで過大な圧力損失が生じる。

本発明の目的は、分離器の内部空間が大きな容積を持っている場合であっても、昇圧時間を大幅に短縮しつつ、過大な圧力損失が生じるのを防ぐことが可能な相互作用方法及び相互作用装置を提供することである。

本発明により提供されるのは、気体と液体に相互作用を生じさせる相互作用方法であって、前記気体と前記液体が相互作用を生じながら流通するのをそれぞれ許容する複数のマイクロチャネルが内部に設けられた流路装置と、前記複数のマイクロチャネルの下流側の端部から排出される相互作用後の気体と液体との混合流体を受けるように前記流路装置に取り付けられた排出ヘッダであって当該排出ヘッダ内の空間の前記混合流体の流れ方向に直交する方向の断面積が前記マイクロチャネル内の流体の流れ方向に直交する方向における前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、内側に流路を有する接続管であって前記排出ヘッダ内の空間から排出される前記混合流体が前記流路に流れるように前記排出ヘッダに接続され、前記流路内の前記混合流体の流れ方向に直交する方向における前記流路の断面積が前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、前記接続管の下流側の端部に接続された分離器であって前記接続管内の流路から前記混合流体を受け入れるように前記接続管内の流路の下流側の端部に接続された内部空間を有していてその内部空間で前記混合流体を滞留させて気体と液体とに上下に分離させる分離器とを備えた相互作用装置であって、前記複数のマイクロチャネル、前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を含んでいて前記複数のマイクロチャネルの各々から前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を経て下流側へ前記気体及び前記液体が流れるのを許容する流通ラインを構成するものを用意する用意工程と、前記複数のマイクロチャネルに相互作用の対象の気体及び液体が導入されていない状態で、前記流通ラインのうち前記排出ヘッダ内の空間またはそれよりも下流側の導入箇所に昇圧用ガスを導入して前記流通ライン内を昇圧する昇圧工程と、前記昇圧工程の後、相互作用の対象の気体と液体を前記複数のマイクロチャネルの各々に導入し、その気体と液体が互いに接触して相互作用を生じながら前記複数のマイクロチャネルの各々を流れ、その複数のマイクロチャネルの各々から流れ出た相互作用後の気体と液体の混合流体が前記排出ヘッダ内の空間及び前記接続管内の流路を通って前記分離器の前記内部空間に流入してその内部空間で気体と液体とに上下に分離するように前記流通ラインに相互作用の対象の気体及び液体を流通させる流通工程と、を備えるものである。

この相互作用方法では、流通工程前の昇圧工程において、流通ラインのうちマイクロチャネルよりも下流側の箇所、具体的には排出ヘッダ内の空間またはそれよりも下流側の導入箇所に昇圧用ガスを導入するため、マイクロチャネルを通さずに当該マイクロチャネルの下流側に繋がる分離器の内部空間に昇圧用ガスを導入できる。このため、分離器の内部空間に昇圧用ガスを狭いマイクロチャネルによる流量の制限を受けることなく大流量で導入できる。このため、分離器の内部空間を短時間で昇圧用ガスで満たして昇圧でき、その後、分離器の内部空間と繋がるマイクロチャネル内も昇圧用ガスで満たして昇圧できる。従って、分離器の内部空間が大きな容積を持っている場合であっても、その内部空間と繋がるマイクロチャネル内の昇圧時間を大幅に短縮できる。また、この相互作用方法では、流通ライン内に昇圧用ガスを大流量で導入した場合であっても、分離器の内部空間がその昇圧用ガスで満たされて昇圧するまでは、狭いマイクロチャネルに昇圧用ガスがほぼ流入しないので、マイクロチャネルにおいて過大な圧力損失が生じるのを防止できる。

前記相互作用方法において、前記昇圧工程では、前記流通工程において前記流通ラインのうち前記マイクロチャネルよりも下流側の領域で生じる圧力と等しい圧力の前記昇圧用ガスを前記流通ラインに導入することが好ましい。

こうすれば、流通ラインのうちマイクロチャネルよりも下流側の領域の圧力を、流通工程前に、その流通工程でその下流側の領域に生じる圧力と等しい圧力に昇圧することができる。このため、流通工程において前記下流側の領域の圧力に従って定まるマイクロチャネル内での相互作用の圧力条件が流通工程の開始時点で既に整っていることになり、その圧力条件が整うまでのタイムラグをなくすことができる。

前記相互作用方法において、前記流通工程では、前記複数のマイクロチャネルの各々から流れ出た前記気体とともに前記昇圧用ガスが下流側へ流れるように前記昇圧工程で前記導入箇所に導入した前記昇圧用ガスを継続して当該導入箇所に導入することが好ましい。

このようにすれば、複数のマイクロチャネルで液体と相互作用した後、その複数のマイクロチャネルの各々から流れ出て下流側に排出される気体の濃度を下げたい場合に、昇圧用ガスを利用して当該気体を希釈することができる。

また、本発明により提供されるのは、気体と液体に相互作用を生じさせる相互作用装置であって、前記気体と前記液体が相互作用を生じながら流通するのをそれぞれ許容する複数のマイクロチャネルが内部に設けられた流路装置と、前記複数のマイクロチャネルの下流側の端部から排出される相互作用後の気体と液体との混合流体を受けるように前記流路装置に取り付けられた排出ヘッダであって当該排出ヘッダ内の空間の前記混合流体の流れ方向に直交する方向の断面積が前記マイクロチャネル内の流体の流れ方向に直交する方向における前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、内側に流路を有する接続管であって前記排出ヘッダ内の空間から排出される前記混合流体が前記流路に流れるように前記排出ヘッダに接続され、前記流路内の前記混合流体の流れ方向に直交する方向における前記流路の断面積が前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、前記接続管の下流側の端部に接続された分離器であって前記接続管内の流路から前記混合流体を受け入れるように前記接続管内の流路の下流側の端部に接続された内部空間を有していてその内部空間で前記混合流体を滞留させて気体と液体とに上下に分離させる分離器とを備えた相互作用装置本体であって、前記複数のマイクロチャネル、前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を含んでいて前記複数のマイクロチャネルの各々から前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を経て下流側へ前記気体及び前記液体が流れるのを許容する流通ラインを構成するものと、前記流通ラインに当該流通ラインを昇圧するための昇圧用ガスを供給する昇圧用ガス供給部であって前記昇圧用ガスを前記流通ラインのうち前記排出ヘッダ内の空間またはそれよりも下流側の導入箇所に導入可能となるようにその導入箇所に接続されたものと、を備えるものである。

この相互作用装置では、流通ラインのうちマイクロチャネルよりも下流側の箇所、具体的には排出ヘッダ内の空間またはそれよりも下流側の導入箇所に昇圧用ガス供給部から昇圧用ガスを導入してマイクロチャネルを通さずに当該マイクロチャネルの下流側に繋がる分離器の内部空間に昇圧用ガスを導入できる。このため、分離器の内部空間に昇圧用ガスを狭いマイクロチャネルによる流量の制限を受けることなく大流量で導入できる。このため、分離器の内部空間を短時間で昇圧用ガスで満たして昇圧でき、その後、分離器の内部空間と繋がるマイクロチャネル内も昇圧用ガスで満たして昇圧できる。従って、分離器の内部空間が大きな容積を持っている場合であっても、その内部空間と繋がるマイクロチャネル内の昇圧時間を大幅に短縮できる。また、この相互作用装置では、昇圧用ガス供給部から流通ライン内に昇圧用ガスを大流量で導入した場合であっても、分離器の内部空間がその昇圧用ガスで満たされて昇圧するまでは、狭いマイクロチャネルに昇圧用ガスがほぼ流入しないので、マイクロチャネルにおいて過大な圧力損失が生じるのを防止できる。

前記相互作用装置において、前記昇圧用ガス供給部は、前記流通ラインに供給する前記昇圧用ガスを、前記気体及び前記液体が前記マイクロチャネルを通って流れている状態で前記流通ラインのうち前記マイクロチャネルよりも下流側の領域において生じる圧力と等しい圧力まで昇圧するコンプレッサを有することが好ましい。

この構成によれば、昇圧用ガス供給部のコンプレッサで昇圧された昇圧用ガスをその昇圧用ガス供給部から流通ラインへ供給することで、流通ラインのうちマイクロチャネルよりも下流側の領域の圧力を、気体及び液体がマイクロチャネルを通って流れている状態でその下流側の領域において生じる圧力と等しい圧力まで昇圧することができる。このため、気体及び液体がマイクロチャネルを通って流れている状態で前記下流側の領域の圧力に従って定まるマイクロチャネル内での気体と液体との相互作用の圧力条件がその気体と液体をマイクロチャネルに流通させるのを開始した時点で既に整っていることになり、その圧力条件が整うまでのタイムラグをなくすことができる。

以上説明したように、本発明によれば、分離器の内部空間が大きな容積を持っている場合であっても、相互作用装置の流通ラインの昇圧時間を大幅に短縮しつつ、過大な圧力損失が生じるのを防ぐことが可能な相互作用方法及び相互作用装置を提供できる。

本発明の一実施形態による相互作用装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態の変形例による相互作用装置の全体構成を示す概略図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１には、本発明の一実施形態による相互作用装置１の全体構成が示されている。本実施形態による相互作用装置１は、相互作用の対象の気体と液体に相互作用を生じさせるものであり、具体的には、気体と液体とを互いに接触させた状態で流通させながらそれらの気体と液体に相互作用を生じさせ、その相互作用後の気体と液体の混合流体を気体と液体とに分離して個別に排出するように構成されている。

この相互作用装置１で行われる相互作用、換言すれば本実施形態による相互作用方法で行う気体と液体との相互作用は、例えば、気体と液体との化学反応や、気体から液体への特定成分の吸収などである。すなわち、相互作用装置１は、気体と液体とを互いに接触させた状態で流通させながらそれらの気体と液体とに化学反応を生じさせる反応装置や、気体と液体とを互いに接触させた状態で流通させながら気体から液体へ特定成分を吸収させる吸収装置などとして用いられるものである。また、本実施形態による相互作用方法は、気体と液体とを互いに接触させた状態で流通させながらそれらの気体と液体とに化学反応を生じさせる反応方法や、気体と液体とを互いに接触させた状態で流通させながら気体から液体へ特定成分を吸収させる吸収方法などである。なお、吸収の場合には、例えば、特定成分を含有する原料ガスが前記気体として用いられるとともに、前記特定成分を吸収可能な吸収液が前記液体として用いられる。

具体的に、本実施形態による相互作用装置１は、気体と液体との相互作用及びその相互作用後の気体と液体との混合流体の気液分離を行うための相互作用装置本体２と、その相互作用装置本体２の後述する流通ライン６０へ昇圧用ガスを供給するための昇圧用ガス供給部３とを備える。

相互作用装置本体２は、気体供給部４と、液体供給部５と、流路装置６と、接続部７と、分離器２２と、気体排出管２４と、液体排出管２６と、保圧弁４０と、流量調整弁４１とを備える。

気体供給部４は、流路装置６内に設けられた後述の各マイクロチャネル１７へ相互作用の対象の気体を供給するものである。この気体供給部４は、気体供給管８と、コンプレッサ９と、気体供給ヘッダ１０とを有する。

気体供給管８は、各マイクロチャネル１７へ供給する気体がその内部を通る配管である。

コンプレッサ９は、気体供給管８に設けられており、この気体供給管８を通じてマイクロチャネル１７へ供給される気体を昇圧するものである。

気体供給ヘッダ１０は、流路装置６内の各マイクロチャネル１７へ気体を分配して供給するためのものであり、流路装置６に取り付けられている。この気体供給ヘッダ１０には、気体供給管８が接続されている。これにより、コンプレッサ９によって昇圧された気体が、気体供給管８を通じて気体供給ヘッダ１０に送られ、その気体供給ヘッダ１０から流路装置６内の全てのマイクロチャネル１７へ分配されるようになっている。

液体供給部５は、流路装置６内に設けられた各マイクロチャネル１７へ相互作用の対象の液体を供給するものである。この液体供給部５は、液体供給管１１と、ポンプ１２と、液体供給ヘッダ１３とを有する。

液体供給管１１は、各マイクロチャネル１７へ供給する液体がその内部を通る配管である。

ポンプ１２は、液体供給管１１に設けられており、この液体供給管１１を通じて相互作用の対象の液体をマイクロチャネル１７へ送るものである。

液体供給ヘッダ１３は、流路装置６内の各マイクロチャネル１７へ液体を分配して供給するためのものであり、流路装置６に取り付けられている。この液体供給ヘッダ１３には、液体供給管１１が接続されている。これにより、液体が、ポンプ１２によって液体供給管１１を通じて液体供給ヘッダ１３に送られ、その液体供給ヘッダ１３から流路装置６内の全てのマイクロチャネル１７へ分配されるようになっている。

流路装置６は、内部に多数のマイクロチャネル１７が設けられたブロック状の構造体である。流路装置６は、例えばステンレス等の金属材料によって形成されている。マイクロチャネル１７は、微小な流路径を有する流路であり、気体と液体が互いに接触して相互作用を生じながら当該マイクロチャネル１７を流通するのを許容するものである。図１では、マイクロチャネル１７をあくまで模式的に示しており、このマイクロチャネル１７の形状としては様々な形状が適用される。また、図示を省略しているが、流路装置６は、並列に配置された複数のマイクロチャネル１７をそれぞれ有する複数の層を備えている。この複数の層が積層されることによって、流路装置６が形成されている。

各マイクロチャネル１７は、気体導入路１８と、液体導入路１９と、相互作用路２０とを有する。

気体導入路１８は、気体が導入される部分であり、その上流側の端部が流路装置６の外面において開口している。前記気体供給ヘッダ１０は、流路装置６内に設けられた全てのマイクロチャネル１７の気体導入路１８の上流側の端部を覆うように流路装置６の外面に取り付けられている。これにより、気体供給ヘッダ１０内の空間から各マイクロチャネル１７に分配される気体は、この気体導入路１８の上流側の端部から当該気体導入路１８に流入するようになっている。

液体導入路１９は、液体が導入される部分であり、その上流側の端部が流路装置６の外面において開口している。前記液体供給ヘッダ１３は、流路装置６内に設けられた全てのマイクロチャネル１７の液体導入路１９の上流側の端部を覆うように流路装置６の外面に取り付けられている。これにより、液体供給ヘッダ１３内の空間から各マイクロチャネル１７に分配される液体は、この液体導入路１９の上流側の端部から当該液体導入路１９に流入するようになっている。

相互作用路２０は、気体導入路１８及び液体導入路１９の下流側の端部に繋がっている。この相互作用路２０には、気体導入路１８からの気体と液体導入路１9からの液体が合流して流入する。そして、この相互作用路２０では、気体と液体が、互いに接触した状態、例えばスラグ流や環状流などの気液二相流の状態で流れながら相互作用を生じるようになっている。相互作用路２０の下流側の端部は、流路装置６の外面において開口している。

接続部７は、流路装置６内に設けられた全てのマイクロチャネル１７の下流側の端部（相互作用路２０の下流側の端部）と分離器２２の後述する内部空間３０とを接続するものである。この接続部７は、各マイクロチャネル１７の相互作用路２０の下流側の端部から流れ出た相互作用後の気体と液体の混合流体を分離器２２の内部空間３０へ導く。この接続部７内の混合流体が通る空間は、各マイクロチャネル１７に比べて広い空間となっている。当該接続部７は、排出ヘッダ１４と、接続管１５とを有する。

排出ヘッダ１４は、流路装置６内の各マイクロチャネル１７の下流側の端部から排出される相互作用後の気体と液体との混合流体を受けるものである。この排出ヘッダ１４は、流路装置６内に設けられた全てのマイクロチャネル１７の下流側の端部を覆うように流路装置６の外面に取り付けられている。これにより、流路装置６内に設けられた全てのマイクロチャネル１７の下流側の端部から相互作用後の気体と液体との混合流体が排出ヘッダ１４内の空間に排出され、それらの混合流体がまとまって当該排出ヘッダ１４から排出されるようになっている。

接続管１５は、排出ヘッダ１４に接続された一方の端部と、分離器２２の後述する入口３１に接続された他方の端部とを有する。この接続管１５は、排出ヘッダ１４から排出される混合流体を分離器２２の入口３１へ導くものである。すなわち、排出ヘッダ１４から排出される混合流体がこの接続管１５内の流路を通って分離器２２の入口３１へ流れるようになっている。なお、この接続管１５内の流路は、本発明における導入箇所の一例である。

分離器２２は、流路装置６のマイクロチャネル１７から流れ出た相互作用後の気体と液体との混合流体を一時的に滞留させて気体と液体とに分離するものであり、いわゆるセトラーである。分離器２２は、縦長の容器であり、ステンレス等の金属製である。分離器２２は、内部空間３０と、その内部空間３０に連通する入口３１とを有する。

入口３１には、前記のように接続管１５が接続されており、この接続管１５によって当該入口３１に導かれた前記混合流体が当該入口３１を通って内部空間３０に流入するようになっている。入口３１は、上下方向における分離器２２のほぼ中央に配置されている。

内部空間３０は、前記の接続部７内の空間である排出ヘッダ１４内の空間及び接続管１５内の流路と、入口３１とを介して、流路装置６内の全てのマイクロチャネル１７の下流側の端部に繋がっている。すなわち、内部空間３０は、流路装置６内の全てのマイクロチャネル１７の下流側の端部から流れ出た相互作用後の気体と液体の混合流体を受け入れるように、排出ヘッダ１４内の空間、接続管１５内の流路及び入口３１を介して各マイクロチャネル１７の下流側の端部に繋がっている。内部空間３０は、受け入れた混合流体を一時的に滞留させることでその混合流体を比重差により自然に気体と液体とに上下に分離させる。内部空間３０で分離した液体は、当該内部空間３０の下部に滞留する。また、内部空間３０で分離した気体は、当該内部空間３０の下部に滞留している液体の上側に滞留する。

気体排出管２４は、分離器２２の内部空間３０で分離した気体がその内部空間３０から当該気体排出管２４内に排出されるのを許容するように分離器２２の上端部に接続されている。すなわち、気体排出管２４は、分離器２２の上端部から排出される気体を導くものである。

液体排出管２６は、分離器２２の内部空間３０で分離した液体がその内部空間３０から当該液体排出管２６内に排出されるのを許容するように分離器２２の下端部に接続されている。すなわち、液体排出管２６は、分離器２２の下端部から排出される液体を導くものである。

本実施形態による相互作用装置１の相互作用装置本体２は、前記気体供給管８内の流路、前記気体供給ヘッダ１０内の空間、前記液体供給管１１内の流路、前記液体供給ヘッダ１３内の空間、前記流路装置６内のマイクロチャネル１７、前記排出ヘッダ１４内の空間、前記接続管１５内の流路、前記分離器２２の内部空間３０、前記気体排出管２４内の流路、及び、前記液体排出管２６内の流路を含む流通ライン６０を構成している。この流通ライン６０は、前記マイクロチャネル１７から分離器２２の内部空間３０を経て下流側へ気体及び液体が流れるのを許容するものである。

流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側で少なくとも気体が流通する領域は、その領域内を流れる気体の流れ方向に直交する方向の断面積がマイクロチャネル１７内の流体の流れ方向に直交する方向における当該マイクロチャネル１７の断面積よりも大きくなるように構成されている。具体的には、排出ヘッダ１４内の空間の混合流体の流れ方向に直交する方向の断面積、接続管１５内の流路の混合流体の流れ方向に直交する方向の断面積、分離器２２の内部空間３０の断面積、及び、気体排出管２４内の流路の気体の流れ方向に直交する方向の断面積は、マイクロチャネル１７の断面積よりも大きくなっている。このため、例えば、マイクロチャネル１７と流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の領域とを同じ気体が同じ流量で流通した場合であっても、流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の領域で生じる圧力損失は、マイクロチャネル１７で生じる圧力損失よりも小さくなる。

保圧弁４０は、気体排出管２４に設けられている。保圧弁４０は、流通ライン６０のうち当該保圧弁４０よりも上流側の圧力を所定の設定圧力に保持するように開閉するものである。すなわち、保圧弁４０は、気体排出管２４のうち当該保圧弁４０が設けられた箇所よりも上流側の領域内の圧力、分離器２２の内部空間３０の圧力、接続管１５内の流路の圧力、排出ヘッダ１４内の空間の圧力、及び、流路装置６内の全てのマイクロチャネル１７内の圧力を所定の設定圧力に保持するように開閉する。

流量調整弁４１は、液体排出管２６に設けられている。流量調整弁４１は、液体排出管２６内を流れる液体の流量を調節するためのものである。具体的には、流量調整弁４１は、液体排出管２６内を流れる液体の流量、すなわち分離器２２の内部空間３０から液体排出管２６内に排出される液体の流量を設定するための変更可能な開度を有する。

昇圧用ガス供給部３は、流通ライン６０に当該流通ライン６０を昇圧するための昇圧用ガスを供給するものである。具体的には、この昇圧用ガス供給部３は、流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の箇所である接続管１５内の流路へ昇圧用ガスを導入可能となるようにその接続管１５に接続されている。昇圧用ガス供給部３は、相互作用の対象の気体及び液体がマイクロチャネル１７を通って流れている状態で流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の領域において生じる気体の圧力と等しい圧力の昇圧用ガスを接続管１５内の流路に導入するようになっている。本実施形態では、この昇圧用ガス供給部３により供給される昇圧用ガスは、相互作用の対象の気体とは異なる気体である。例えば、この昇圧用ガスは、窒素ガスや酸素ガスである。

昇圧用ガス供給部３は、ガスボンベ５０と、昇圧用ガス供給管５１と、コンプレッサ５２と、逆止弁５３とを有する。

ガスボンベ５０は、昇圧用ガスの供給源であり、当該ガスボンベ５０には昇圧用ガスが充填されている。ガスボンベ５０の吐出口には、バルブ５０ａが設けられている。バルブ５０ａは、ガスボンベ５０内から昇圧用ガス供給管５１への昇圧用ガスの吐出を許容する開状態と、ガスボンベ５０内から昇圧用ガス供給管５１への昇圧用ガスの吐出を阻止する閉状態とに切り換え可能となっている。また、このバルブ５０ａは、ガスボンベ５０内から吐出される昇圧用ガスの流量を変更可能な開度を持っている。

昇圧用ガス供給管５１は、ガスボンベ５０の吐出口と接続管１５とを繋ぐ配管であり、ガスボンベ５０から吐出される昇圧用ガスを接続管１５内の流路へ導くものである。昇圧用ガス供給管５１の一端は、ガスボンベ５０の吐出口に接続されている一方、昇圧用ガス供給管５１の他端は、接続管１５に接続されている。

コンプレッサ５２は、昇圧用ガス供給管５１に設けられている。このコンプレッサ５２は、昇圧用ガス供給管５１を通じて接続管１５内の流路へ供給される昇圧用ガスを圧縮して昇圧するものである。このコンプレッサ５２は、相互作用の対象の気体及び液体がマイクロチャネル１７を通って流れている状態で流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の領域において生じる気体の圧力と等しい圧力まで昇圧用ガスを昇圧する。このコンプレッサ５２の機能により、昇圧用ガス供給部３から接続管１５内の流路に導入される昇圧用ガスの圧力が前記気体及び前記液体の流通工程で流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の領域において生じる気体の圧力と等しい圧力にされる。

昇圧用ガス供給管５１のうちコンプレッサ５２の下流側で接続管１５に対する当該昇圧用ガス供給管５１の接続箇所の手前には、接続管１５から混合流体が昇圧用ガス供給管５１を通じてコンプレッサ５２側へ逆流するのを防止するために逆止弁５３が設けられている。なお、逆止弁５３をこのように設けることで接続管１５からの混合流体の逆流の防止効果を高めることはできるが、必ずしもこの逆止弁５３を設けなくてもよい。

本実施形態による相互作用装置１は、以上のように構成されている。

次に、本実施形態による相互作用装置１を用いた気体と液体との相互作用方法について説明する。

本実施形態による相互作用方法では、まず、前記のような構成の相互作用装置１を用意する。

相互作用装置１の運転停止状態、すなわちマイクロチャネル１７に相互作用の対象の気体及び液体が導入されていない状態では、流通ライン６０内の圧力は低下している。このため、相互作用装置１の運転開始時には、まず、マイクロチャネル１７に相互作用の対象の気体及び液体を導入していない状態で流通ライン６０を昇圧する昇圧工程を行う。

この昇圧工程では、流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の箇所に昇圧用ガスを導入して流通ライン６０内を昇圧する。具体的には、昇圧用ガス供給部３により、接続管１５内の流路に昇圧用ガスを導入する。この接続管１５内の流路に導入する昇圧用ガスの圧力は、後述の流通工程の開始後、圧力条件が安定した当該流工程中に流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７の出口（下流側の端部）よりも下流側の領域で生じる圧力、具体的には分離器２２の内部空間３０のうちの上部領域における分離後の気体の圧力に等しい圧力とする。また、接続管１５内の流路に導入する昇圧用ガスの流量は、後述の流通工程で気体供給部４から各マイクロチャネル１７に導入されてそのマイクロチャネル１７を流れる気体の流量よりも大流量とする。

より具体的には、この昇圧工程では、ガスボンベ５０のバルブ５０ａを閉状態から開状態にし、それによってガスボンベ５０から昇圧用ガス供給管５１内へ昇圧用ガスを吐出させる。この吐出された昇圧用ガスは、後述の流通工程中に流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７の出口よりも下流側の領域で生じる前記圧力と等しい圧力までコンプレッサ５２によって昇圧され、昇圧用ガス供給管５１を通じて接続管１５内の流路へ導入される。この際、バルブ５０ａの開度を調節して、ガスボンベ５０から吐出される昇圧用ガスの流量、すなわち接続管１５内の流路に導入される昇圧用ガスの流量を、後述の流通工程で気体供給部４からマイクロチャネル１７に導入される相互作用の対象の気体の流量よりも大流量に設定する。

接続管１５内の流路に導入された昇圧用ガスは、その接続管１５内の流路から分離器２２の内部空間３０に流入する。これにより、大きな容積を持つ内部空間３０が昇圧用ガスで満たされて昇圧する。この後、内部空間３０と繋がる流路装置６の各マイクロチャネル１７内も昇圧用ガスで満たされて当該各マイクロチャネル１７内も昇圧する。また、同様に、分離器２２の内部空間３０に繋がる気体排出管２４のうち保圧弁４０よりも上流側の領域内も昇圧する。

なお、予め、流通工程中と同じ条件で相互作用の対象の気体及び液体を流通ライン６０に流した場合に、流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７の出口よりも下流側の領域で生じる圧力、具体的には分離器２２の内部空間３０で生じる分離後の気体の圧力を測定する実験を行い、その実験結果に基づいて、昇圧工程で接続管１５内の流路に導入する昇圧用ガスの圧力を求めておく。そして、昇圧工程では、コンプレッサ５２によって、その求めた圧力まで昇圧用ガスを昇圧する。また、流通ライン６０内の圧力を相互作用装置１の運転停止状態での低下した圧力から後述の流通工程中に流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７の出口よりも下流側の領域で生じる気体の圧力と等しい圧力まで昇圧するのに要する時間を実験によって予め求めておき、その求めた時間だけ当該昇圧工程を行う。

そして、昇圧工程の後、流通ライン６０に相互作用の対象の気体及び液体を流す流通工程を行う。この流通工程中は、前記昇圧工程で行った昇圧用ガス供給部３から流通ライン６０への昇圧用ガスの導入を継続して実施する。

具体的に、この流通工程では、気体供給部４から相互作用の対象の気体を流路装置６内の各マイクロチャネル１７の気体導入路１８へ供給するとともに、液体供給部５から相互作用の対象の液体を流路装置６内の各マイクロチャネル１７の液体導入路１９へ供給する。すなわち、気体供給部４において、コンプレッサ９で圧縮されて昇圧した気体が気体供給管８内を通じて気体供給ヘッダ１０へ供給され、その気体が気体供給ヘッダ１０内の空間から流路装置６内の各マイクロチャネル１７の気体導入路１８に導入される。また、液体供給部５において、ポンプ１２により、液体が液体供給管１１内を通じて液体供給ヘッダ１３へ送られ、その液体が液体供給ヘッダ１３内の空間から流路装置６内の各マイクロチャネル１７の液体導入路１９に導入される。

気体導入路１８に導入された気体と液体導入路１９に導入された液体は、合流して相互作用路２０に流入し、スラグ流や環状流等の気液二相流の状態でその相互作用路２０を下流側へ流れる。すなわち、この気体と液体は、互いに接触した状態で相互作用路２０を流れ、その相互作用路２０を流れる過程で相互作用を生じる。

そして、各マイクロチャネル１７の相互作用路２０の下流側の端部から相互作用後の気体と液体の混合流体が排出ヘッダ１４内の空間へ排出され、それらの混合液体はまとまって排出ヘッダ１４から接続管１５内の流路及び分離器２２の入口３１を通って分離器２２の内部空間３０に流入する。なお、接続管１５内の流路には昇圧用ガス供給部３から昇圧用ガスが継続して導入されているので、内部空間３０に流入する混合流体には相互作用後の気体と昇圧用ガスとが含まれる。

分離器２２の内部空間３０では、流入した混合流体が一時的に滞留することにより比重差で自然に気体と液体とに上下に分離する。この内部空間３０で分離した気体には、前記相互作用後の気体に加えて昇圧用ガスが含まれる。すなわち、継続的に流通ライン６０に導入される昇圧用ガスにより、相互作用後の気体が希釈される。内部空間３０で分離した気体は、分離器２２の上端部から気体排出管２４内へ流出し、その気体排出管２４内を通って排出される。また、内部空間３０で分離した液体は、分離器２２の下端部から液体排出管２６内へ流出し、その液体排出管２６を通って排出される。

本実施形態による気体と液体との相互作用方法は、以上のように行われる。

本実施形態では、流通工程前の昇圧工程において、流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の接続管１５内の流路に昇圧用ガスを導入する。このため、マイクロチャネル１７を通さずに分離器２２の内部空間３０に昇圧用ガスを導入できる。このため、分離器２２の内部空間３０に昇圧用ガスを狭いマイクロチャネル１７による流量の制限を受けることなく大流量で導入できる。このため、分離器２２の内部空間３０を短時間で昇圧用ガスで満たして昇圧でき、その後、分離器２２の内部空間３０と繋がるマイクロチャネル１７内も昇圧用ガスで満たして昇圧できる。従って、分離器２２の内部空間３０が大きな容積を持っている場合であっても、その内部空間３０と繋がるマイクロチャネル１７内の昇圧時間を大幅に短縮できる。

また、本実施形態では、流通ライン６０内に昇圧用ガスを大流量で導入した場合であっても、分離器２２の内部空間３０がその昇圧用ガスで満たされて昇圧するまでは、狭いマイクロチャネル１７に昇圧用ガスがほぼ流入しないので、マイクロチャネル１７において過大な圧力損失が生じるのを防止できる。

また、本実施形態では、流通工程前の昇圧工程において、流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の領域に、流通工程中にその下流側の領域で生じる気体の圧力と等しい圧力の昇圧用ガスを流通ライン６０に導入して、その圧力まで前記下流側の領域を昇圧できる。このため、流通工程において前記下流側の領域の圧力に従って定まるマイクロチャネル１７内での相互作用の圧力条件が流通工程の開始時点で既に整っていることになり、その圧力条件が整うまでのタイムラグをなくすことができる。

また、本実施形態では、流通工程において、マイクロチャネル１７から流れ出た気体とともに昇圧用ガスが下流側へ流れるように昇圧工程から継続して流通ライン６０の接続管１５内の流路に昇圧用ガスを導入するため、マイクロチャネル１７から流れ出て下流側に排出される相互作用後の気体を昇圧用ガスを利用して希釈することができる。

具体的に、マイクロチャネル１７に導入する相互作用の対象の気体は、外部環境に悪影響を及ぼすものである場合があり、その気体が高濃度で相互作用装置１から外部に排出されることが好ましくない場合がある。この場合、その気体の濃度を低下させることが好ましいが、その気体をマイクロチャネル１７に導入する前に希釈すると、マイクロチャネル１７内における当該気体と液体との相互作用に影響が出る虞がある。例えば、相互作用が化学反応である場合にはその反応の収率が低下したり、相互作用が吸収である場合には吸収率が低下したりする虞がある。これに対し、本実施形態では、マイクロチャネル１７から流れ出た相互作用後の気体と液体との混合流体に昇圧用ガスを加えてその混合流体中の気体を昇圧用ガスで希釈できるので、マイクロチャネル１７内での相互作用に影響を及ぼすことなく、気体の濃度を低下させることができる。

本発明による相互作用方法及び相互作用装置は、前記のようなものに必ずしも限定されない。例えば、本発明による相互作用方法及び相互作用装置に、以下のような構成を採用可能である。

流通ラインのうち昇圧用ガスを導入する箇所は、マイクロチャネルよりも下流側の箇所であれば、必ずしも前記のような接続管内の流路に限らない。例えば、昇圧用ガス供給部から分離器の内部空間に昇圧用ガスを直接導入してもよい。図２には、このような構成を採用した変形例による相互作用装置１の全体構成が示されている。

この変形例による相互作用装置１では、昇圧用ガス供給部３の昇圧用ガス供給管５１が分離器２２に直接接続されている。これにより、ガスボンベ５０から吐出されてコンプレッサ５２で昇圧された昇圧用ガスが、昇圧用ガス供給管５１内を通って分離器２２の内部空間３０に直接導入される。この変形例の構成であっても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。この変形例では、昇圧用ガス供給管５１のうちコンプレッサ５２の下流側で分離器２２の手前の箇所に、分離器２２から分離後の気体が昇圧用ガス供給管５１を通じてコンプレッサ５２側へ逆流するのを防止するために逆止弁５３が設けられている。なお、逆止弁５３をこのように設けることで分離器２２からの分離後の気体の逆流の防止効果を高めることはできるが、必ずしもこの逆止弁５３を設けなくてもよい。

また、気体排出管２４のうち保圧弁４０よりも上流側の領域に昇圧用ガス供給管５１を接続して、その昇圧用ガス供給管５１から気体排出管２４の前記領域内に昇圧用ガスを導入してもよい。また、排出ヘッダ１４に昇圧用ガス供給管５１を接続して、その昇圧用ガス供給管５１から排出ヘッダ１４内の空間に昇圧用ガスを導入してもよい。

また、前記実施形態では、相互作用の対象の気体の供給元とは別に昇圧用ガスの供給源としてのガスボンベ５０を設け、そのガスボンベ５０から相互作用の対象の気体とは異なる昇圧用ガスを流通ライン６０に供給したが、流通ライン６０に導入する昇圧用ガスを相互作用の対象の気体と同じものとしてもよい。その場合には、気体供給部４から相互作用の対象の気体を昇圧用ガスとして流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の箇所に導入してもよい。

この場合、具体的には、気体供給部４のコンプレッサ９の下流側に方向切換弁を設け、その方向切換弁と気体供給ヘッダ１０とを繋ぐ気体供給管を設けるとともに、その方向切換弁と流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の箇所とを繋ぐ昇圧用ガス供給管を設ける。そして、昇圧工程では、方向切換弁により、コンプレッサ９で昇圧された相互作用の対象の気体を昇圧用ガス供給管へ流してその昇圧用ガス供給管を通じて流通ライン６０のうちマイクロチャネル１７よりも下流側の箇所へ当該相互作用の対象の気体を昇圧用ガスとして導入する。また、昇圧工程の後の流通工程では、方向切換弁により、コンプレッサ９で昇圧された相互作用の対象の気体の流れ先を気体供給管へ切り換えて、その気体供給管を通じて気体供給ヘッダ１０へ相互作用の対象の気体を流し、その気体供給ヘッダ１０内の空間から各マイクロチャネル１７へ当該気体を導入する。

また、流通工程中は、昇圧用ガス供給部３から流通ライン６０への昇圧用ガスの供給を停止してもよい。すなわち、昇圧工程の後、流通工程の開始前にバルブ５０ａを閉状態にしてガスボンベ５０からの昇圧用ガスの吐出を停止してもよい。

１ 相互作用装置
２ 相互作用装置本体
３ 昇圧用ガス供給部
１０ 流路装置
１７ マイクロチャネル
２２ 分離器
３０ 内部空間
５２ コンプレッサ
６０ 流通ライン

Claims (5)

1. 気体と液体に相互作用を生じさせる相互作用方法であって、
   前記気体と前記液体が相互作用を生じながら流通するのをそれぞれ許容する複数のマイクロチャネルが内部に設けられた流路装置と、前記複数のマイクロチャネルの下流側の端部から排出される相互作用後の気体と液体との混合流体を受けるように前記流路装置に取り付けられた排出ヘッダであって当該排出ヘッダ内の空間の前記混合流体の流れ方向に直交する方向の断面積が前記マイクロチャネル内の流体の流れ方向に直交する方向における前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、内側に流路を有する接続管であって前記排出ヘッダ内の空間から排出される前記混合流体が前記流路に流れるように前記排出ヘッダに接続され、前記流路内の前記混合流体の流れ方向に直交する方向における前記流路の断面積が前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、前記接続管の下流側の端部に接続された分離器であって前記接続管内の流路から前記混合流体を受け入れるように前記接続管内の流路の下流側の端部に接続された内部空間を有していてその内部空間で前記混合流体を滞留させて気体と液体とに上下に分離させる分離器とを備えた相互作用装置であって、前記複数のマイクロチャネル、前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を含んでいて前記複数のマイクロチャネルの各々から前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を経て下流側へ前記気体及び前記液体が流れるのを許容する流通ラインを構成するものを用意する用意工程と、
   前記複数のマイクロチャネルに相互作用の対象の気体及び液体が導入されていない状態で、前記流通ラインのうち前記排出ヘッダ内の空間またはそれよりも下流側の導入箇所に昇圧用ガスを導入して前記流通ライン内を昇圧する昇圧工程と、
   前記昇圧工程の後、相互作用の対象の気体と液体を前記複数のマイクロチャネルの各々に導入し、その気体と液体が互いに接触して相互作用を生じながら前記複数のマイクロチャネルの各々を流れ、その複数のマイクロチャネルの各々から流れ出た相互作用後の気体と液体の混合流体が前記排出ヘッダ内の空間及び前記接続管内の流路を通って前記分離器の前記内部空間に流入してその内部空間で気体と液体とに上下に分離するように前記流通ラインに相互作用の対象の気体及び液体を流通させる流通工程と、を備える、相互作用方法。
2. 前記昇圧工程では、前記流通工程において前記流通ラインのうち前記マイクロチャネルよりも下流側の領域で生じる圧力と等しい圧力の前記昇圧用ガスを前記流通ラインに導入する、請求項１に記載の相互作用方法。
3. 前記流通工程では、前記複数のマイクロチャネルの各々から流れ出た前記気体とともに前記昇圧用ガスが下流側へ流れるように前記昇圧工程で前記導入箇所に導入した前記昇圧用ガスを継続して当該導入箇所に導入する、請求項１又は２に記載の相互作用方法。
4. 気体と液体に相互作用を生じさせる相互作用装置であって、
   前記気体と前記液体が相互作用を生じながら流通するのをそれぞれ許容する複数のマイクロチャネルが内部に設けられた流路装置と、前記複数のマイクロチャネルの下流側の端部から排出される相互作用後の気体と液体との混合流体を受けるように前記流路装置に取り付けられた排出ヘッダであって当該排出ヘッダ内の空間の前記混合流体の流れ方向に直交する方向の断面積が前記マイクロチャネル内の流体の流れ方向に直交する方向における前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、内側に流路を有する接続管であって前記排出ヘッダ内の空間から排出される前記混合流体が前記流路に流れるように前記排出ヘッダに接続され、前記流路内の前記混合流体の流れ方向に直交する方向における前記流路の断面積が前記マイクロチャネルの断面積よりも大きいものと、前記接続管の下流側の端部に接続された分離器であって前記接続管内の流路から前記混合流体を受け入れるように前記接続管内の流路の下流側の端部に接続された内部空間を有していてその内部空間で前記混合流体を滞留させて気体と液体とに上下に分離させる分離器とを備えた相互作用装置本体であって、前記複数のマイクロチャネル、前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を含んでいて前記複数のマイクロチャネルの各々から前記排出ヘッダ内の空間、前記接続管内の流路及び前記内部空間を経て下流側へ前記気体及び前記液体が流れるのを許容する流通ラインを構成するものと、
   前記流通ラインに当該流通ラインを昇圧するための昇圧用ガスを供給する昇圧用ガス供給部であって前記昇圧用ガスを前記流通ラインのうち前記排出ヘッダ内の空間またはそれよりも下流側の導入箇所に導入可能となるようにその導入箇所に接続されたものと、を備える、相互作用装置。
5. 前記昇圧用ガス供給部は、前記流通ラインに供給する前記昇圧用ガスを、前記気体及び前記液体が前記マイクロチャネルを通って流れている状態で前記流通ラインのうち前記マイクロチャネルよりも下流側の領域において生じる圧力と等しい圧力まで昇圧するコンプレッサを有する、請求項４に記載の相互作用装置。

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