JPWO2016059716A1 - キャビテーション発生装置及びそれを用いた石油処理装置 - Google Patents

Abstract

キャビテーションによって流体の熱分解を促して反応性の高い流体を得ることができるキャビテーション発生装置を提供するものであり、キャビテーション発生装置１は、流体の流通孔１１が貫通形成され、この流通孔の内側に流通規制部１２が形成されている複数のキャビテーション発生具１０を多段連結させてなる。

Description

本発明は、石油と水とを原料とを原料として安定した炭化水素系燃料を製造するために用いられるキャビテーション発生装置、及びそれを用いた石油処理装置に関する。

従来、石油燃料のコストを抑えるため、石油と水とを原料としてエマルジョン燃料を製造し、それを燃焼させる方法が知られている。この場合、エマルジョン燃料から石油分と水分とが分離することが問題となるが、この分離を抑えるために乳化剤の添加等が行われていた。そのような乳化剤を用いずにより安定したエマルジョン燃料を製造する方法として、次の特許文献には、水と石油との一次混合物を０．１〜３ミリの小孔を有したオリフィスに圧送してキャビテーションを発生させ、それによって粒径が０．５〜６０μｍで安定性に優れたエマルジョン燃料が得られることを教示している。

特開２０１０−２５３８２号公報

ところでキャビテーションについては、流体分子の熱分解を生じさせる作用があることが知られている。しかし特許文献１の方法では、キャビテーションの作用を流体の微粒子化程度にしか利用していないようである。その理由としてはキャビテーション発生装置の能力が低いことが考えられる。

そこで本発明は、キャビテーションによって流体の熱分解を促して反応性の高い流体を得ることができるキャビテーション発生装置を提供することを第一の目的とし、更に、そのキャビテーション発生装置を用いて構成した石油処理装置によって、原料である石油と水とを処理して反応させることで、より良質な炭化水素系液体を得ることを第二の目的とする。

本発明によるキャビテーション発生装置は、流体の流通孔が貫通形成され、この流通孔の内側に流通規制部が形成されている複数のキャビテーション発生具を多段連結させてなることを特徴とする。

また本発明による石油処理装置は、石油供給源から供給された石油を圧送するポンプと、このポンプから圧送されてきた石油にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置とを直列させた第１の輸送路と、水供給源から供給された水を圧送するポンプと、このポンプから圧送されてきた水にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置とを直列させた第２の輸送路と、前記第１、第２の輸送路が集合された流体混合部と、
前記流体混合部で混合された流体を圧送するポンプと、このポンプから圧送されてきた混合流体にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置とを直列させた第３の輸送路とからなり、かつ前記キャビテーション発生装置の少なくとも１つは、前記の構成とした装置を用いることを特徴とする。

本発明によるキャビテーション発生装置は、キャビテーション発生具に流体を通じさせることで、強力なキャビテーション発生能力を発揮し、流体の化学反応性を高めることが可能である。

また本発明による石油処理装置は、原料である石油と水とを反応させ、処理前よりも少ない比率の水分を含有した炭化水素系液体を得ることができる。

本発明に係るキャビテーション発生具の一例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）としている。 本発明に係るキャビテーション発生具の他例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）としている。 本発明に係るキャビテーション発生具の更なる他例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）としている。 本発明に係るキャビテーション発生具の更なる他例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）としている。 本発明に係るキャビテーション発生装置の一例であり、図はその縦断面図としている。 本発明に係るキャビテーション発生装置の他例であり、図はその縦断面図としている。 本発明に係る石油処理装置の一例であり、図はその基本構成図である。 本発明に係る石油処理装置の他例であり、図はその基本構成図である。

本発明によるキャビテーション発生装置は、流体の流通孔が貫通形成され、この流通孔の内側に流通規制部が形成されている複数のキャビテーション発生具を多段連結させてなる。キャビテーションを発生させるべき流体としては、各種石油類又は水を想定している。

キャビテーション発生具の素材は特に制限されず、各種合金、合成樹脂、ガラス類、セラミック類によって形成できる。ただしキャビテーションによって反応性の高い物質が生成されたり、衝撃波が生じたりすることから、化学的に安定であり、かつ強度にも優れた素材、例えばアルミナやジルコニウム等のセラミック焼結体としてキャビテーション発生具を形成すれば、耐久性に優れたものが得られる。

流通孔の内側の流通規制部は、要するに絞り構造であり、圧送されてきた流体がその部分を通過する際に加速され、その結果流体の圧力が飽和蒸気圧よりも低くなったときにキャビテーションが生じる。キャビテーションの発生具合は、粘度、蒸気圧、表面張力等の流体の性質、流体の静圧、速度等の環境条件によって左右されるから、流通規制部の最適形状は一概に云えるものではない。ただし流通路に対する流通規制部の絞り具合は、流体を加圧送出するポンプの能力等を勘案して過大な圧力損失が生じないように狭過ぎず、かつ加速効果によって流体の飽和蒸気圧よりも低圧が得られるように広過ぎないよう慎重に選択する必要がある。また流通規制部の形状も圧力損失を抑えやすいものとすべきである。

以下、実験等によってその有効性が確認できた流通規制部の具体例のいくつかを説明する。

図１はキャビテーション発生具の第１の例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）に示している。キャビテーション発生具１０Ａは全体として円柱状であり、その中心軸部分に流通孔１１が貫通して形成されている。キャビテーション発生具１０Ａの外径は、一般に市販されている金属管又は樹脂管の規格に合わせておくと後述のような保持具の製作が容易になる。なおキャビテーション発生具１０Ａはこのような円柱状とせず、角柱状としてもよい。流通規制部１２としては、流通孔１１の周壁面を螺旋状に周回する突条１２ａが形成されている。突条１２ａは、周壁面を概ね２〜３周している。突条１２ａは、厚みと間隔がほぼ同一であり、突条１２ａの高さは厚みのほぼ２倍としている。

また、キャビテーション発生具１０Ａに対して流体の流通方向が規定されており、流通方向の上流側端面、下流側端面に嵌合構造１３が形成されている。具体的には、図１（ｂ）、（ｃ）において流通方向は下から上に向かう方向と規定しており、流通方向の上流側端面（図中下側）はその中央部が周縁部よりも後退した凹構造とされ、下流側端面（図中上側）はその中央部が周縁部よりも前進した凸構造（図示なし）とされている。そのため流通方向を揃えて複数のキャビテーション発生具１０Ａを重ねると、隣接し合うキャビテーション発生具１０Ａ間で上流側の凸構造が下流側の凹構造に嵌合する。よって複数のキャビテーション発生具１０Ａを位置ずれなく安定的に連結させることが可能になる。なお、突条１２ａの周回数、突条１２ａの厚み、間隔、高さ等は適宜変更できる。

図２はキャビテーション発生具の第２の例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）に示している。キャビテーション発生具１０Ｂは第１の例と同径かつ若干縦長の円柱状であり、その中心軸部分に流通孔１１が貫通して形成されている。流通規制部１２としては、漏斗状の小孔１２ｂを設けた隔壁１２ｃが形成されている。小孔１２ｂは、流通方向の上流側端面で最大径とされ下流側端面で最小径になるように形成されている。なおキャビテーション発生具１０Ｂに対して流体の流通方向が規定される点、及び上流側端面、下流側端面に嵌合構造１３が形成されている点は、第１の例と同様である。

図３はキャビテーション発生具の第３の例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）に示している。キャビテーション発生具１０Ｃは第１の例と同径かつ若干縦長の円柱状であり、その中心軸部分に流通孔１１が貫通して形成されている。流通規構造１２としては、流通孔１１の中心を軸とする風車状体１２ｄが形成されている。風車状体１２ｄは３葉であり、葉１２ｊはいずれも矩形とされ、それらの先端が流通孔１１の周壁面に結合されている。葉１２ｊの形状や枚数は適宜変更できる。風車状体１２ｄの中心部には、上流側方向及び下流側方向に突出した円柱形の軸部１２ｅが設けられている。なおキャビテーション発生具１０Ｃに対して流体の流通方向が規定される点、及び上流側端面、下流側端面に嵌合構造１３が形成されている点は、第１の例と同様である。

図４はキャビテーション発生具の第４の例であり、その平面図、斜視図を（ａ）、（ｂ）に示している。キャビテーション発生具１０Ｄは第１の例と同径かつ若干縦長の円柱状であり、その中心軸部分に流通孔１１が貫通して形成されている。流通規制部１２としては、流通孔１１の周壁面に複数の釘状体１２ｇが周設されている。釘状体１２ｇはいずれも、頭部１２ｈの広がり、軸部１２ｉの断面積が流通方向を長軸とした楕円形である。軸部１２ｉの長さが異なる２種類の釘状体１２ｇが交互に６本周設されており、そのいずれも頭部１２ｈを流通孔１１の中心方向に向けている。釘状体１２ｇの形状や本数は適宜変更できる。なおキャビテーション発生具１０Ｄに対して流体の流通方向が規定される点、及び上流側端面、下流側端面に嵌合構造１３が形成されている点は、第１の例と同様である。

図１〜図４に４種類のキャビテーション発生具を示したが、いずれも単に流体の流通を規制するだけなく、流通規制部の独特な形状によって流体に渦流や乱流を生じるので、強力なキャビテーション発生能力を有する。またこれら４種類のキャビテーション発生具は、使用環境に合わせて同一種類のものを複数個、あるいは異種類のものを複数個多段連結して使用することができる。同一あるいは異種類のキャビテーション発生具間で前記嵌合構造は嵌合可能である。なおキャビテーション発生具を通じさせる流体の圧力、流速は特に制限されないが、前者を１〜１００ＭＰ程度とし、後者を１５０ｍ／ｍｉｎ以上とすれば良好な効果が得られる。またキャビテーション発生具の流通孔の内径、全長も特に制限されないが、前者を１０〜５０ｍｍ程度とし、後者を５〜３０ｍｍとすれば良好な効果が得られる。

次いで前記のような構成とした複数個のキャビテーション発生具を多段連結させて保持する保持具の具体例を説明する。

図５は、保持具の第１の例であり、その縦断面図を示している。キャビテーション発生装置１は、複数のキャビテーション発生具１０（１０Ａ〜１０Ｄ）を、流通方向を揃えた状態として保持具２０Ａに収容させる。流通方向は、図５において下から上に向かう方向としている。保持具２０Ａは、キャビテーション発生具１０に適合された内径を有する金属管２１で形成されており、その両端には、上流側、下流側の配管３０、３０に連結させるためのフランジ２２、２２が設けられている。キャビテーション発生具１０を円柱状としているので、一般に市販されている円筒状の管を加工して保持具２０Ａを簡単に製作できる。保持具２０Ａの全長は、使用するキャビテーション発生具１０の個数に応じて決定すればよい。また収容したキャビテーション発生具１０の脱落を防止するため、保持具２０Ａの下流側開口には小径部２３が形成されている。キャビテーション発生具１０が流体から受ける力を考慮すれば、小径部２３は保持具２０Ａの下流側開口に設けるとよい。保持具２０Ａの上流側開口は、キャビテーション発生具１０を収容させた後、キャビテーション発生具１０の脱落を防止するため、例えばビード溶接２４等によって小径化してもよい。

図６は、保持具の第２の例であり、その縦断面図を示している。このキャビテーション発生装置１の基本構成は図５の例に共通するが、保持できるキャビテーション発生具１０の個数はよりも多くしている。キャビテーション発生具１０は、図５の例と同様に、流通方向を揃えた状態で保持具２０Ｂに収容させる。保持具２０Ｂの上流側開口は、キャビテーション発生具１０を収容させた後、キャビテーション発生具１０の脱落を防止するため、樹脂リング２５を圧入して小径化している。

なお図５、図６の例のいずれも、保持具の下流側開口に小径部を形成することでキャビテーション発生具の脱落を防止しているが、そのような小径部を形成せずにキャビテーション発生具を強固に保持する構成も可能である。

具体的には、保持具として、キャビテーション発生具の外径よりも僅かに小さい内径を有した金属管を用いる。金属管は、流体の輸送路を構成する配管をそのまま用いてもよい。そのような金属管にキャビテーション発生具を挿入するのは常温では困難であるが、金属管は加熱すれば膨張して内径も大きくなるので、キャビテーション発生具を挿入できるようになる。そうして、複数のキャビテーション発生具を挿入した後、金属管を常温に戻せば、金属管は元の状態まで収縮してキャビテーション保持具を強固に保持した状態になる。

なお、保持具として、キャビテーション発生具の外径よりも僅かに大きい内径を有した金属管又は樹脂管を用い、挿入したキャビテーション発生具を接着剤等で管の内壁面に固着させてもよい。

キャビテーション発生装置の基本構成を前記のようにしたことで、次のような効果が得られる。すなわち、流通規制部の異なる複数種別のキャビテーション発生具を適宜選択して共通の保持部に組み合わせることができるから、形状が同一で能力を異ならせたキャビテーション発生装置を簡単に製造できる。更に、キャビテーション発生具は、化学的に安定かつ物理的な強固な素材で形成し、保持部はより安価な素材で形成することができるので、耐久性に優れかつ低コストなキャビテーション発生装置が提供できる。

図１〜図４に示したキャビテーション発生具は、どれも優れたキャビテーション発生能力を有するものであるが、その４種類のキャビテーション発生具を図５に示した順序で連結させた場合に、殊に強力なキャビテーション能力が得られる。またそのような順序の配列において、図６のようにキャビテーション発生具の個数を一部変更することにより、使用状況に更に適したものとすることができる。

なお複数のキャビテーション発生具は前記のように連装してもよいし、その一部又は全てが一体に連成されていてもよい。

本発明によるキャビテーション発生装置におけるキャビテーションバブルの発生、消滅は概ね次のような過程で進行すると考えられる。

流体がキャビテーション発生具の流通規制部の部分を通過する際に、その絞り効果として、流体が加速され、流体の圧力が飽和蒸気圧より低くなったときに、つまり沸騰条件となったときに、流体の蒸気からなるマイクロバブル（直径５０μｍ以下）が生じる。このようなバブルは流体に存在していた極めて微小なバブルや異物等を核として生じることが多い。

そしてバブルが流通規制部の部分を抜けて更に下流側に移動すると流体の圧力が高くなってバブルは縮小し始め、そのためバブルに作用する表面張力も増すことになり、更にバブルが縮小される。バブルの内部は圧力が高くなって蒸気の溶解を促進することもバブルの縮小に寄与する。

更にバブルが下流側に移動して圧力が飽和蒸気圧を超えたある時点で、そのバブルは急激に崩壊（圧壊）し流体に吸収される。崩壊時のバブルの大きさが無限小であれば理屈上の表面張力は無限大となるが、実際にバブル崩壊時の圧力は数百気圧に達する。バブルの消失点ではそのような高圧で流体同士が衝突するため超音波や衝撃波が発生する。

またバブルは崩壊中に準断熱圧縮されることから、温度も数千度に達する。すなわち流通規制部の下流側近傍では、流体が常温であるにもかかわらず、非常に高エネルギーな場が局在することになり、そこでは流体分子の一部が熱分解される。またバブルの界面は帯電しており、その周囲に流体のイオンが集まった状態になっているが、バブルの崩壊時にはそのイオンが瞬間的に開放されることなり、そこからもエネルギーが生じる。

更に、マイクロバブルが崩壊する際には極めて微小なナノバブル（直径１μｍ未満）が生じるが、バルブのサイズが極めて小さい場合、その界面に集まるイオンのために蒸気の溶解が抑えられるのでバブルの寿命は長くなる。しかし、そのようなナノバブルも何らかの刺激を受けたときには崩壊してフリーラジカルを生じさせると考えられる。この点からも、キャビテーション発生装置で処理したあとの流体は反応性が高いものになると云える。

例えば流体が水であれば、キャビテーションに基づく熱分解によりＯＨラジカル、Ｈラジカル等のフリーラジカルが生じる。フリーラジカルは反応性が非常に高いため長時間存在できないが、ＯＨラジカル同士が結合して過酸化水素等が生じる。この過酸化水素を含んだ処理水は通常の水よりも反応性が高いため各種化学処理に利用できると考えられる。本発明によるキャビテーション発生装置は効率的にキャビテーションを生じさせることができるので、そのような反応性の高い水が高収率かつ簡単に得られる。

更に、本発明では、このようなキャビテーション発生装置による流体分子の熱分解を有益な化学処理装置に応用することを意図している。

図７は、そのような化学処理装置の一例として、本発明によるキャビテーション発生装置を用いて構成された石油処理装置の基本構成を示している。

石油処理装置４０は、石油供給源から供給された石油を圧送するポンプ４１と、ポンプ４１から圧送されてきた石油にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置１とを直列させた第１の輸送路４２と、水供給源から供給された水を圧送するポンプ４３と、ポンプ４３から圧送されてきた水にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置１とを直列させた第２の輸送路４４と、第１、第２の輸送路４２、４４が集合された流体混合部４５と、流体混合部４５で混合された流体を圧送するポンプ４６と、ポンプ４６から圧送されてきた混合流体にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置１とを直列させた第３の輸送路４７とからなる。ポンプ４１、４３、４６は特に種別が制限されることはなく、例えばプランジャーポンプ、ギヤポンプ、カスケードポンプ等を用いることができる。

キャビテーション発生装置１はいずれも、図６又は図７に示した構造のものを用いるとよいが、その少なくとも１つが、前記のような構成のものであればよい。また石油としては、炭素数１０〜２０程度の軽油、重油、炭素数４〜１０程度のガソリン等を想定している。

第１の輸送路４２では、石油にキャビテーションを生じさてナノバブルを含んだ第１の流体とする。第２の輸送路４４では水にキャビテーションを生じさせてナノバブルを含んだ第２の流体とする。流体混合部では、第１、第２の流体を混合し、第３の輸送路では、その混合流体にキャビテーションを生じさせることで石油分解性組成物を含んだ炭化水素系燃料を製造する。

このような構成とした石油処理装置によって、所定の割合で石油及び水を処理すれば、処理前よりも少ない比率の水分を含有した炭化水素系液体が得られることがわかっている。

本発明によるキャビテーション発生装置を用いた石油処理装置は、前記のように石油と水とをキャビテーションによって熱分解して反応させることで、石油分と水分とが分離せず元の石油と同等の総発熱量を有する炭化水素系燃料が得られる。そのため石油の使用効率（燃費）が大幅に抑えられる。また石油処理装置は、キャビテーション発生装置を設けた第１〜第３の輸送路からなる簡単な装置であり、石油及び水を第１、第２の輸送路に供給するだけで第３の輸送路から処理済みの炭化水素系燃料が吐出されることから、低コストで炭化水素系燃料を連続的に製造することが可能である。なお処理前の水に分解酵素等を予め混入させておけば、より良好な結果が得られると考えられる。ここにその分解酵素の種別は特に制限されず市販のものが利用できる。

図８は、前記石油処理装置の変形例の基本構成を示す。前記石油処理装置に共通する要素には同一の参照符号を付けて説明を省略する。石油処理装置の目的及び作用も前記石油処理装置と同一である。

石油処理装置４０は、第２の輸送路４４のキャビテーション発生装置１よりも上流側に、流体にガスの微小バブルを混入させる気液混合装置５０を設けている。この微小バブルは、キャビテーション発生装置１でキャビテーションを発生させる際の核となるので、バブル発生量を増すことができる。

また石油処理装置４０は、第３の輸送路４４のキャビテーション発生装置１よりも下流側に、炭化水素系燃料に磁気を作用させる磁気装置６０を設けている。炭化水素系燃料に磁気が作用すると分子同士が分離されるので、炭化系水素燃料の安定性が向上する。

１ キャビテーション発生装置
１０ キャビテーション発生具
１１ 流通孔
１２ 流通規制部
１２ａ 突条
１２ｂ 小孔
１２ｃ 隔壁
１２ｄ 風車状体
１２ｈ 釘状体
１３ 嵌合構造
２０ 保持部
４１、４３、４６ ポンプ
４２ 第１の輸送路
４４ 第２の輸送路
４５ 流体混合部
４７ 第３の輸送路
５０ 気液混合装置
６０ 磁気装置

Claims (10)

1. 流体の流通孔が貫通形成され、この流通孔の内側に流通規制部が形成されている複数のキャビテーション発生具を多段連結させてなることを特徴とするキャビテーション発生装置。
2. 請求項１において、
   前記キャビテーション発生具の少なくとも１つは、前記流通規制部として、前記流通孔の周壁面を螺旋状に周回する突条が形成されていることを特徴とするキャビテーション発生装置。
3. 請求項１において、
   前記キャビテーション発生具の少なくとも１つは、前記流通規制部として、漏斗状の小孔を設けた隔壁が形成されていることを特徴とするキャビテーション発生装置。
4. 請求項１において、
   前記キャビテーション発生具の少なくとも１つは、前記流通規構造として、前記流通孔の中心を軸とする風車状体が形成されていることを特徴とするキャビテーション発生装置。
5. 請求項２において、
   前記キャビテーション発生具の少なくとも１つは、前記流通規制部として、前記流通孔の周壁面に複数の釘状体が周設されていることを特徴とするキャビテーション発生装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   前記キャビテーション発生具は、流体の流通方向が規定されており、流通方向の上流側端面、下流側端面に嵌合構造が形成されていることを特徴とするキャビテーション発生装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   前記キャビテーション発生具は、焼結体からなること特徴とするキャビテーション発生装置。
8. 石油供給源から供給された石油を圧送するポンプと、このポンプから圧送されてきた石油にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置とを直列させた第１の輸送路と、
   水供給源から供給された水を圧送するポンプと、このポンプから圧送されてきた水にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置とを直列させた第２の輸送路と、
   前記第１、第２の輸送路が集合された流体混合部と、
   前記流体混合部で混合された流体を圧送するポンプと、このポンプから圧送されてきた混合流体にキャビテーションを生じさせるキャビテーション発生装置とを直列させた第３の輸送路とからなり、かつ
   前記キャビテーション発生装置の少なくとも１つは、請求項１〜７のいずれか１項に記載のキャビテーション発生装置を用いていることを特徴とする石油処理装置。
9. 請求項８に記載の石油処理装置において、
   前記第２の輸送路は、前記キャビテーション発生装置よりも上流側に、輸送路内に気体を導入させる気液混合装置が介装されていることを特徴とする石油処理装置。
10. 請求項８又は９において、
    前記第３の輸送路は、前記キャビテーション発生装置よりも下流側に、輸送路内に磁気を作用させる磁気装置が介装されていることを特徴とする石油処理装置。
    

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