KR20030086293A - 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치 - Google Patents

초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치 Download PDF

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Abstract

유기물질 등의 피반응물질을 균일한 상태로 반응기에 그 주입부에서 막힘을 초래하는 일없이 주입할 수 있음과 아울러, 높은 에너지효율로 또한 공업적으로 작동시키는 것이 가능한 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치이다. 이 반응장치의 반응기(12)는 실린더(12a)와 이 실린더(12a)에 설치된 피스톤(12b)으로 이루어진다. 피스톤(12b)을 동작시킴으로써 유체의 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻고, 피반응물질의 화학반응의 종료후에 피스톤(12b)을 역방향으로 동작시켜서 온도와 압력을 낮추고, 반응을 정지시키고, 얻어진 생성물을 실린더(12a)로부터 꺼냄과 동시에, 새로운 기체의 증기를 실린더(12a)에 도입함으로써 주기적으로 작동시킬 수 있다.

Description

초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치{REACTION SYSTEM OF ORGANIC SUBSTANCE EMPLOYING SUPERCRITICAL FLUID OR SUB-CRITICAL FLUID}
종래, 바이오매스 등의 유기물질 등에 대한 물리화학적인 분해반응방법으로서, 기지의 약품산화법, 광산화법, 연소법, 열수반응법 대신에, 일본국 특허공고 평1-38532호 공보 등에 개시되어 있는 바와 같이, 초임계유체에 의한 분해처리방법이 제안되고 있다.
이 초임계유체에 의한 유기물질 등의 분해처리방법은, 반응조건을 200∼300℃로 낮은 온도조건으로 하는 열수반응법과는 달리, 물의 임계온도 374℃, 임계압력 218기압을 초과한 조건하의 초임계수에 의해 유기물질 등의 피반응물질을 분해한다. 이 초임계수는 그 극성이 온도와 압력으로 제어가능하게 되며, 파라핀계 탄화수소나 벤젠 등의 비극성물질도 용해할 수 있는 것, 또, 산소 등의 가스와도 임의의 비율로 혼합한다라는 유기물 산화분해용의 반응용매로서 매우 우수한 성능을 나타내는 것, 또한, 분해대상물의 탄소함유율이 수%이면 산화열만으로 임계온도 이상까지 승온가능하기 때문에, 열에너지적으로도 매우 우수한 것, 또한, 초임계수로, 가수분해반응이나 열분해반응에 의해 대부분의 난분해성 유기물이나 유독 유기물 등을 거의 완전히 분해할 수 있는 것, 등 뛰어난 이점이 있다.
종래의 초임계유체에 의한 반응방법은, 다음 플로우에 따라서 실행된다. 즉, 유기물질 등의 피반응물질을 함유하는 물, 산소 등의 산화제유체 및 초임계유체의 3유체를 미리 혼합상태 혹은 일부 혼합상태로, 초임계수 산화반응을 행하는 반응 용기에 공급하여, 대상물을 물의 초임계조건하에서 산화과정에 의해 분해하는 것이다. 또한 산화반응을 진행시킴으로써, 일산화탄소나 수소 등으로까지 처리하는 것도 가능하다.
종래의 초임계유체에 의한 반응장치는, 공통적으로 유체를 가압후에 가열해서 유체를 초임계상태 혹은 아임계상태의 고온고압의 상태로 하고, 그것에 의해 반응을 행하게 하는 것이다. 이 때문에, 유체를 고온고압의 상태로 할 때에는, 큰 에너지가 필요하다.
초임계유체나 아임계유체의 고온고압의 유체에 대해서, 가압시킬 때의 에너지를 저감시키는 방법으로서, 파이프라인시스템에 의한 연속식 오토클레이브의 개발(야마자키 나카미치 외 저,「수열과학실험소보고」, Vo1.3 1-4(1979))이 있다.
이 방법은, 처리후의 고온고압유체의 압력을 피스톤과 실린더를 이용해서 회수하고, 회수용 피스톤과 운동한 다른 피스톤과 실린더에 의해, 가압전의 유체를가압할 때의 에너지를 저감시키는 방법이다.
초임계유체나 아임계유체의 고온고압의 유체에 대해서, 가압시킬 때의 에너지를 저감시키기 위해, 일본국 특허공개2000-233127호 공보에 개시되어 있는 장치를 사용하는 방법도 있다. 이 장치는, 처리후의 고온고압유체의 압력을 실린더중의 피스톤으로 받고, 처리전의 유체를 가압하기 위한 힘으로서 전달하는 제1구동수단에 구동력을 부하하는 제2구동수단을 설치한 것이다. 즉, 처리후의 고압유체의 에너지는, 배압밸브를 이용해서 저감한 후에 상기 제1구동수단에 있어서의 실린더에 도입하도록 한 장치이다. 이것에 의해, 피반응물질을 함유하는 유체를 고온고압으로 해서 반응계에 안정되게 공급하도록 한 장치이다.
또, 초임계유체나 아임계유체는 고온고압이기 때문에, 유체중에서의 분해반응 등은 매우 고속이다. 이 때문에, 초임계유체나 아임계유체에 피반응물질을 처리시키는 시간을 짧게 하고, 초임계유체중이나 아임계유체중에서의 고속의 반응을 급속하게 정지시키는 것이 필요하다.
초임계유체나 아임계유체의 고온고압유체에 의해 피반응물질을 단시간에 처리시키는 시간을 짧게 하는 방법으로서는, 셀룰로스 가수분해용 연속 반응장치(M.Sasaki, B.Kabyemela, R.Malaluan, S.Hirose, N.Takeda, T.Adschiri, K.Arai;Cellulose hydrolysis in subcritical and supercritical water, J.Supercrit.Fluids 1998.13.261-268.)의 방법이 있다. 이 방법은, 유동형 반응장치이며, 다음의 플로우에 의해 피반응물질의 처리를 행한다. 즉, 피반응물질을 소정의 조건으로 가열가압한 초임계수와 반응기의 입구부근에서 직접 혼합해서 목적으로 하는 최적의 반응온도까지 급속히 승온시킨다. 또한, 반응기의 출구에서, 반응액에 냉수를 직접 분사시켜 외부냉각을 행함으로써 급냉시킨다. 이 경우, 반응기의 용적을 작게 하거나 또는 유속을 빠르게 함으로써, 피반응물질을 초임계수로 처리시키는 시간을 짧게 하는 것을 가능하게 하고 있다.
그러나, 에너지의 회수가 가능하며, 또한 피반응물질을 초임계유체에 의해 매우 단시간에 처리함과 아울러, 상기한 종래의 초임계유체에 의한 유기물질 등의 반응을 효율적으로 실시할 수 있는, 고온고압의 유체의 초임계상태를 취급하기 위한 공업적인 반응장치는 아직 존재하지 않는 것이 현상황이다.
종래의 초임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에서는, 예를 들면, 피반응물질이 목분(木粉) 등의 유기물질인 경우, 유기물질이 분산된 고압수를 급가열해서 일정시간 초임계 또는 아임계상태를 유지하고, 이 초임계 또는 아임계상태에서의 가수분해반응에 의해, 목분 등의 유기물질을 글루코스 등의 저분자의 당으로의 당화반응을 행하게 하는 것이 가능하다. 그 당화반응이 종료된 후 생성된 저분자의 당류가 다시 분해되어 버리는 것을 막기 위해서, 고온의 초임계수 또는 아임계수를 급냉시켜 반응을 중지시키는 것이 필요하다. 이 당화반응에 대해서는, 배치형 및 유동형 중 어느 장치로도 행할 수 있다. 종래의 반응장치는, 이것을 유동형으로 행하는 경우, 고온의 초임계수상태의 실현은 목분을 분산시킨 저온의 초임계압수에 고온의 초임계수를 혼합해서 반응을 행하게 하고, 또 이 반응을 정지시키기 위해서, 냉수를 주입하는 과정에 의한 장치구성을 제안하는 것이다.
그러나, 이 종래의 반응장치에서는, 상기한 각 과정을 실행하기 위해서는,또한, 다음과 같은 여러가지 점이 문제가 된다.
(1)장치구성에는, 물이 차례로 도입되는 가압, 가열, 반응, 냉각 및 감압기가 필요하며, 장치구성이 전체적으로 복잡하게 되는 것.
(2)목질(木質) 등의 유기물질의 당화반응의 시간이 짧기 때문에, 냉수를 혼합해서 반응을 중지시키지 않으면 안되는 것. 반응시간이 길어지면, 피반응물질이 과분해되어 당이 얻어지지 못하게 되어 버리는 것.
(3)냉수에 의한 급냉에 의해 반응정지를 행하기 위해서 사용하는 물의 양이 많아진다. 이 때문에, 반응후의 당을 농축하는 프로세스가 대규모화로 되는 것.
(4)냉수에 의한 냉각과정에 의하기 때문에, 에너지의 소비가 큰 것.
(5)목질 등의 유기물질을 고압수로 일시에 분산시킨 상태로 분포시키는 것이 곤란한 것.
그래서, 본 발명은, 유기물질 등의 피반응물질을 균일한 상태로 반응기에 주입할 수 있으며, 반응물질에 초임계유체를 매우 단시간에 처리할 수 있음과 아울러, 높은 에너지효율로 또한 공업적으로 작동시키는 것이 가능한 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치를 제공하는 것을 목적으로 했다.
본 발명은, 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 바이오매스 등의 유기물질 등을 피반응물질로 하고, 이 피반응물질을 초임계유체 또는 아임계유체에 의해 분해 또는 반응처리하기 위한 반응장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치의 플로우도이다.
도2는 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 반응기의 작동구성으로서 캠식으로 한 경우의 부분 플로우도이다.
도3은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 레시프로형의 압축팽창기 대신에, 로터리형의 압축팽창기를 사용하는 경우의 부분 플로우도이다.
도4는 본 발명의 초임계유체또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 터보형의 압축팽창기를 사용하는 경우의 플로우도이다.
도5는 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 터보형의 압축팽창기를 사용하는 경우의 플로우도이다.
도6은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치의 다른 실시형태의 플로우도이다.
도7은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치의 다른 실시형태의 플로우도이다.
도8은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 의해, 피반응물질을 연속해서 반복처리하는 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도9는 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 그 반응기를 복수 설치한 경우의 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도10은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 산화제 공급장치를 설치한 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도11은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응 장치에 있어서, 가스화 처리장치를 설치한 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도12는 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 에탄올 발효장치를 설치한 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도13은 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, ABE 발효장치를 설치한 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도14는 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서, 메탄가스 발효장치를 설치한 실시형태를 설명하는 부분 플로우도이다.
도15는 비교예로서의 유동형 초임계유체 또는 아임계유체 반응장치에 있어서의 행정을 설명하는 도이다.
도16은 비교예로서의 유동형 초임계유체 또는 아임계유체 반응장치에 있어서의 과정의 비엔탈피를 나타내는 도이다.
도17은 본 발명에 따른 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에 있어서의 과정의 비엔탈피를 나타내는 도이다.
도18은 매질유체가 물일 때 목표점의 상태와 압축전의 습증기가 압력 3MPa인 경우에 대해서 계산된 압축비(ε)의 값을 나타내는 도이다.
도19는 각종의 매질유체의 임계조건을 나타내는 도이다.
도20은 매질유체가 프레온12일 때, 목표점의 상태와 압축전의 습증기가 압력 0.7MPa인 경우에 대해서 계산된 압축비(ε)의 값을 나타내는 도이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단과, 이 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단과, 이 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단이, 실린더와 이 실린더에 설치된 피스톤으로 이루어지며, 이 피스톤을 동작시킴으로써 증기를 압축하고, 화학반응의 종료후에 피스톤을 역방향으로 동작시켜서 온도와 압력을 낮추고, 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 실린더로부터 꺼내서 새로운 증기를 실린더에 도입함으로써 주기적으로 작동시키도록 한 구성을 포함한다.
여기에서, 상기 실린더와 피스톤은 레시프로형의 반응기이며, 기능에 있어서, 실린더내를 플런저가 왕복운동하는 플런저형의 것과 완전히 동일한 물리적 형식의 것이다. 본 발명에 있어서의 반응장치는, 실린더에 있어서의 피스톤의 동작에 의해, 동일 실린더내에 있어서 가압, 가열, 반응, 냉각 및 감압이 행해진다. 이 때문에, 장치전체를 간략화시키는 것이 가능하다.
본 발명의 반응장치는, 실린더에 도입한 증기를 피스톤으로 단열압축하여 유체의 초임계 또는 아임계상태를 실현한다. 그 후, 다시 피스톤이 구동하여 유체를 단열팽창시킴으로써, 그 유체의 초임계 또는 아임계상태를 냉각한다. 그 때, 피스톤의 상하운동을 회전운동 등으로 변환하여 그 속도를 조정함으로써, 초임계 또는 아임계유체중에서의 반응을 매우 단시간에 중지시켜 피반응물질의 과분해를 억제하고, 저온의 액체(유체가 물인 경우에는 냉수)를 혼합시키는 일없이 반응을 급정지(동결)시킬 수 있다. 그 결과, 저온의 유체를 이용하지 않기 때문에 얻어진 생성물인 당 등의 농도를 높게 유지할 수 있다.
또한, 피스톤의 단열팽창의 일(work)을 회전운동 등으로 변환함으로써, 다시 단열압축을 위한 일로 재이용하는 것이 가능하며, 피처리물질의 반응을 초단위이하의 매우 단시간에 중지시킨 경우에 있어서도, 적은 에너지소비로 처리할 수 있다.
본 발명의 장치내에서 실현하는 초임계유체의 온도압력조건은, 유체의 압축비, 도입한 포화증기의 온도, 액체(유체가 물인 경우에는 물)의 첨가량에 의해 자유롭게 제어할 수 있다. 그리고, 피처리물질의 반응기에의 도입은, 실린더내에 유체의 포화증기를 도입하는 단계나 증기의 압축도중에 있어서, 노즐을 이용하여 액체와 함께 고압분사에 의해 행하기 때문에, 피처리물질을 반응기에 균일하게 분산시켜 도입할 수 있다.
본 발명의 반응장치에 있어서, 초임계상태를 얻는 유체로서는, 예를 들면, 물 외에, 이산화탄소, 아산화질소, 프레온12, 프레온13, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 헥산, 메탄올, 에탄올, 벤젠, 톨루엔, 암모니아 외에, 기타 다양한 물질을 들 수 있다.
본 발명의 반응장치에 있어서의 증기는, 상기한 여러 종류 중 어느 하나의 유체의 증기이며, 보일러 등에 의해 얻을 수 있다. 이 유체의 증기가 도입된 반응기내의 압축작용으로 초임계상태가 된다. 이 압축에 의해 피스톤의 상사점 부근에서 목표의 초임계나 아임계상태의 고온고압유체를 단시간에 발생시킨다. 이 고온고압유체와 피반응물질의 접촉에 의해, 피반응물질에 가수분해반응 등을 발생시키고,그것에 의해 피반응물질을 분해 등 할 수 있다.
이 반응에 요하는 초임계나 아임계상태의 고온고압유체와 피반응물질의 접촉시간에 대해서는, 유체가 도달하는 온도, 압력에 따라 다르지만, 수분에서 수초이하의 극히 단시간인 것이 대부분이다. 본 발명의 반응장치에서는, 예를 들면, 반응기에 있어서의 피스톤-행정중의 약 20분의 1을 목적의 온도압력이상으로 하고, 그 존재 시간을 0.01초로 했을 때 약 300rpm이다. 이것은 동일기구의 엔진으로 충분히 실현가능한 회전수이므로, 초단위이하의 처리시간을 충분히 실현할 수 있다. 또한, 같은 피반응물을 반복하여 반응시킴으로써, 수분단위의 반응도 충분히 실현하는 것이 가능하다.
본 발명의 반응장치에 있어서의 유체의 초임계조건에는, 초임계유체와 아임계유체가 포함된다. 예를 들면, 초임계유체는 온도 및 압력이 모두 초임계상태에 있는 경우이지만, 아임계유체는, 온도 또는 압력 중 어느 하나가 초임계조건인 경우이며, 초임계상태보다 온화한 조건을 나타내는 것이다. 따라서, 반응조건에 대해서, 초임계유체와 아임계유체의 선택에 대해서는, 피반응물질의 종류 및 반응생성물의 종류 등에 따라 적절히 선정된다.
본 발명의 반응장치에 있어서의 반응기의 고온고압유체는, 상기한 바와 같이, 그 후 피스톤 등에 의한 실린더 용적 등의 급속팽창에 의해 급속히 냉각된다. 이 급속냉각에 의해 피반응물질의 화학반응이 동결(강제정지)된다. 이 반응의 동결도 상기한 압축과정과 마찬가지로 극히 단시간에 행해진다. 또한, 피스톤의 하사점부근에서 생성물을 증기와 함께 반응기내로부터 배출한다.
본 발명의 반응장치에서는, 피스톤을 구동시킴으로써 증기를 실린더내의 한쪽에서만 압축하도록 한 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 실린더에의 새로운 증기의 도입을 포화증기만으로 하고, 피스톤에 의한 압축개시시 혹은 압축도중 혹은 압축종료후에, 포화유체액 혹은 냉유체를 피반응물질과 함께 실린더에 주입하도록 한 구성을 포함한다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에서는, 실린더와 피스톤으로 형성되는 증기압축을 행하는 용적을, 피스톤의 양측에 설치한 구성이나, 피스톤의 양측에 압축팽창기를 설치하고, 각각 인젝터(원료분사장치)를 설치한 구성을 포함한다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 피스톤의 양측에 설치한 실린더와 피스톤으로 형성되는 증기압축을 행하는 용적의 한쪽에서 습증기를 압축하고, 다른쪽의 용적은 고압으로 유지하도록 한 구성을 포함한다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 실린더와 이 실린더에 설치된 피스톤으로 이루어지는 기구에 있어서, 피스톤의 일을 회수하도록 한 구성을 포함한다. 피스톤의 일을 회수함으로써, 고에너지효율로 반응기를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단이 로터실과 그 로터실에 설치된 로터로 이루어지고, 이 로터를 로터실내에서 회전시킴으로써, 증기를 압축하고, 상기한 화학반응후에 로터를 다시 회전시켜서 온도와 압력을 낮추고, 얻어진 생성물을 함유하는 액체 또는 기체의 유체를 로터실내로부터 꺼내고, 새로운 증기를 로터실내에 도입시킴으로써 주기적으로 작동시키는 구성을 포함한다.
실린더와 이 실린더에 설치된 피스톤으로 이루어지는 레시프로식 기구와 비교해서, 로터실과 그 로터실에 설치된 로터로 이루어지는 로터리기구에 의한 경우에는, 로터실내에 도입한 피처리물질에 대한 압축팽창의 고속화와 함께, 소형 또한 경량화할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단이 터보압축기와 이 터보압축기에 직결된 터빈으로 이루어지며, 터보압축기를 동작시킴으로써, 증기를 압축하고, 화학반응의 종료후에 터빈을 통해서 온도와 압력을 낮추고, 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 꺼내는 터빈과 터보압축기를 직결함으로써 동력을 회수하도록 한 구성을 포함한다. 피반응물질을 연속적으로 반응시키기 위함이다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 반응에 의해 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 사이클론 또는 원심분리기에 의해 포화유체와 포화증기유체로 분리하는 수단을 설치한 구성을 포함한다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에는, 피반응물질을 고압의 포화유체에 침지한 상태에서 급속히 제압하는 폭쇄장치를 설치하고, 이 폭쇄장치로 피반응물질을 미세화하도록 한 구성을 포함한다. 미세화함으로써 피반응물질을 본 발명의 반응장치에 용이하고 신속하게 도입하기 위함이다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에는, 실린더, 로터실 또는 터보압축기와 이들 실린더의 피스톤, 로터실의 로터 또는 터보압축기의 터빈으로 이루어지는 기구에 있어서의 소기밸브 및 도입포트에 유로전환밸브 등의 개폐부를 각각 설치하고, 이들 개폐부의 개폐시간을 설정할 수 있도록 해서 이루어지며, 이들 개폐부를 일정시간 폐쇄하도록 설정함으로써, 이 기구에 있어서의 초임계처리를 연속해서 계속적으로 행할 수 있도록 한 구성이 포함된다.
이 기구에 있어서의 각 개폐부를 일정시간 폐쇄하도록 설정함으로써, 동일 기구에 있어서의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응을 연속적으로 반복해서 행하고, 이것에 의해 장시간을 요하는 피처리물질에 대한 반응을 완결시킬 수 있다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 실린더, 로터실 또는 터보압축기와 이들의 피스톤, 로터 또는 터빈으로 이루어지는 기구가 복수개 설치되어 이루어지는 구성을 포함한다. 반응의 생산성을 높이기 위해서, 실린더 등을 다기통으로 형성한 경우 외에, 그 기구가 복수개 설치되어 있는 경우를 포함한다.
상기 후자의 구성에 대해서는, 복수의 실린더, 로터실 또는 터보압축기와 이들의 피스톤, 로터 또는 터빈으로 이루어지는 기구에 있어서의 각 실린더, 각 로터실 또는 각 터보압축기에의 증기의 도입부 및 소기부를 순차 유로연결밸브 등의 개폐부를 통해서 연결해서 이루어지며, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단에 의한 각 과정을 복수회 행할 수 있도록 한 구성으로 할 수 있다. 피반응물질이 분단위의 긴 시간으로 초임계 처리해야할 것인 경우에는, 필요에 따라서 상기한 개폐부를 개방해서 본 발명에 있어서의 초임계처리를 복수회로 나누어서 반복해서 연속적으로 행하도록 하기 위함이다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에서는 실린더, 로터실 또는 터보압축기내에 산화제를 도입할 수 있는 산화제 도입장치를 설치하고, 도입한 유기물 등의 피반응물을 초임계 또는 아임계상태로 산화분해하도록 한 구성을 포함한다.
또한, 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에서는 생성물을 함유하는 유체로부터 분리한 포화증기를 다시 기체성분과 증기성분으로 분리하는 가스화장치가 설치되어 있는 구성을 포함한다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에는,생성물인 바이오매스를 분해해서 얻어진 글루코스 등의 저분자의 당 등을 도입하는 효모, 대장균 등의 균류를 갖는 에탄올 발효조를 설치하고, 에탄올 발효조에 도입한 당의 기질을 상기 균류에 의해 에탄올로까지 변환하도록 한 구성이 포함된다.
또, 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에는 생성물인 바이오매스를 분해해서 얻어진 저분자의 당 등을 도입하는 ABE 발효 균을 갖는 ABE 발효조를 설치하고, ABE 발효조에 도입한 당의 기질을 ABE 발효균에 의해 아세톤, 부탄올 및 에탄올로까지 분해하도록 한 구성이 포함된다. ABE 발효조에 있어서는, 상기한 종래방법과 비교해서, 보다 저에너지량으로 효율적으로, 초임계유체와의 접촉에 의해 생성된 에탄올 등의 저분자의 당 등의 기질을 저분자화해서 유체중에 가용화하고, 또한 ABE 발효균에 의해 아세톤, 부탄올 및 에탄올로까지 변환해서 처리할 수 있다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에는, 생성물인 바이오매스를 분해해서 얻어진 저분자의 생성분을 도입하는 메탄 발효균을 갖는 메탄 발효조를 설치하고, 메탄 발효조에 도입한 저분자화한 기질을 메탄 발효균에 의해 메탄가스로까지 변환하도록 한 구성이 포함된다. 메탄 발효조에 있어서는, 상기한 종래방법과 비교해서, 보다 저에너지량으로 효율적으로, 초임계유체와의 접촉에 의해 바이오매스를 저분자화해서 유체중에 가용화하고, 또한 메탄균에 의해 메탄가스로까지 변환할 수 있다.
본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치에서는, 피반응물질로서 도시 쓰레기를 포함하는 바이오매스원료를 분해처리할 수 있다. 즉, 생성물이 바이오매스를 분해해서 얻어지는 당인 경우. 피반응물질이 도시 쓰레기를 포함하는 바이오매스원료, 폐타이어, 석탄 등의 탄소함유물질로부터 선택되는 어느 하나의 물질이며, 생성물이 상기 선택물질을 분해해서 얻어지는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 메탄가스를 함유하는 합성 가스인 경우. 피반응물질이 PET병 등의 고분자 폴리머이며, 생성물이 고분자 폴리머재의 원료물질인 구성, 피반응물질이 PCB, 프레온, DXN(다이옥신) 등의 난분해성의 함유물질이며, 피반응물질을 분해해서 무해화할 경우, 피반응물질이 폐식용유 등의 유지이며, 이들을 초임계유체 또는 아임계유체에 의해 지방산 에스테르로 변환하는 경우이다.
다음에, 본 발명이 실시하는 최량의 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 도1에 나타내는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치(10)는, 매질유체로서 물을 사용하는 것이다. 반응장치(10)는, 물의 증기를 얻는 보일러(11)와, 이 증기를 압축해서 초임계수 또는 아임계수를 얻는 수단, 이 초임계수 또는 아임계수를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단 및 이 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 물을 팽창시켜서 감압시키는 수단으로서의 레시프로형의 반응기(12)를 기본구성부로 하는 것이다.
물의 증기는 보일러(11)로 얻어진다. 보일러(11)에는, 연료(C)가 공급펌프(27)로부터 공급됨과 동시에, 공기(D)가 블로어(28)에 의해 공급된다. 이 물의 증기는 반응기(12)에 도입된다.
반응기(12)에서는, 물의 증기를 압축할 수 있다. 즉, 반응기(12)는 실린더(12a)와 이 실린더(12a)에 설치된 피스톤(12b)으로 이루어지는 고압 압축팽창기이다. 피스톤(12b)의 양측에는 용적(12A,12B)이 설치되어 있다. 피스톤(12b)을 크랭크기구(13)에 의해 작동시켜서, 수증기를 용적(12A)으로 압축해서 초임계수 또는 아임계수를 만들어 낼 수 있다. 그리고, 이 초임계수 또는 아임계수를 피반응물질로서의 목분과 접촉시켜서, 목분에 가수분해반응을 발생시킬 수 있다. 또, 크랭크기구(13)는 캠기구이어도 좋다.
이 목분은, 목재 칩(A)을 폭쇄기(15)로 폭쇄해서 목분을 미세화한 것이다. 이 목분을 로터리 피더(14)에 도입함과 동시에, 물(B)이 펌프에 의해 가압상태로 로터리 피더(14)에 보내어진다. 로터리 피더(14)로 목분을 수중에 확산시키면서 인젝터(14a)에 의해 목분이 분사되는 상태로 반응기(12)내에 공급된다. 목분에 대해서는, 미세할수록 화학반응을 일으키기 쉽고 또 분사노즐에서의 막힘을 피할 수 있기 때문에 바람직하다. 따라서, 목분을 폭쇄에 의해 미세화하고, 또한, 그것을 슬러리화할 수 있으면, 또한 바람직하다.
상기한 목분의 가수분해반응에 대해서는, 피스톤(12b)의 상사점 전후에서 행하게 할 수 있다. 목분의 가수분해반응이 종료된 후는, 피스톤(12b)의 작동에 의해, 실린더(12a)내에서 증기를 팽창시켜서 다시 습증기로 되돌림과 아울러, 그 때의 온도저하에 의해 그 반응을 정지시킬 수 있다.
이러한 반응과정에서는, 고온수나 냉각수는 불필요하며, 또 피스톤(12b)의 작동속도를 변경함으로써, 목분의 반응시간이 변화되므로, 그 제어는 용이하다. 또한, 반응기(12)에서는, 피스톤(12b)에 의한 압축시에 큰 일을 필요로 하지만, 팽창시에 그 일은 취출되어 상쇄하도록 동작한다. 이 경우 혼합이나 열이동시에 에너지 손실을 동반하는 과정을 기본으로 하지 않으므로, 필요한 중요 일은 화학반응시의 소비에너지, 피스톤(12b)의 마찰에너지, 기타 펌프 등의 경미한 것뿐이다. 따라서, 높은 에너지효율로 작동시킬 수 있다.
피스톤(12b)이 하강함으로써 적당한 시기에 포트(12c)를 개방하고, 습증기와 함께 반응생성물을 배출하도록 작동시킨다. 이러한 반응기(12)에 있어서의 동작은, 2사이클식 또는 4사이클식의 기구로 작동시킬 수 있다. 예를 들면, 소기(掃氣)가 약간 불완전해도 상관없으므로, 반응기(12)로서 유니플로형 2사이클식의 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 실린더(12a)에 있어서 팽창종료시에 피스톤(12b)에 의해 포트(12e)가 개방되도록 해서, 새로운 증기를 도입하고, 사용이 끝난 증기를 반대측의 밸브(12c)로부터 배출하면 된다.
실린더(12a)의 실(12A)에의 새로운 증기의 도입을 포화증기만으로 하고, 피스톤(12b)에 의한 압축개시시 또는 압축도중 혹은 압축종료후에, 포화액 혹은 냉수를 목분과 함께 압축팽창기(12)에 주입하도록 할 수 있다. 이 때의 포화증기는, 보일러(11)로 얻어진 것을 실린더(12a)내로 공급할 수 있다.
반응기(12)에의 포화증기의 공급과 동시에 혹은 압축과정중에 보일러(11)로부터의 액체분, 즉, 냉수를 실린더(12a)내에 분사하여, 실린더(12a)내의 증기의 건도(乾度)를 조정할 수 있다. 이 증기의 건도가 지나치게 낮으면, 분사하는 냉각수의 양이 지나치게 적어지기 때문이다.
이 냉수분사시의 분류(噴流)에 일정량의 목분을 균일하게 분사시킨 상태로 실린더(12a)내에 주입할 수 있다. 이 분사에서는, 고속으로 냉수가 분사되므로, 미세한 목분을 분산시킬 수 있음과 아울러, 목분을 포화액으로 분산시킬 수 있으므로, 분사용 노즐에 막힘이 발생하는 것을 피할 수 있다. 또, 분사에 냉수를 사용하는 것은, 필요한 습도를 목분에 부여함과 아울러, 목분을 저온(150℃이하인 것이 바람직하다.)으로 유지함으로써, 실린더(12a)내에서 목분이 열분해해 버리는 것을 막기 위해서이다.
본 발명의 반응장치에는, 또한, 화학반응에 의해 얻어진 생성물을 함유하는 물을 사이클론(23)(또는 원심분리기)에 의해 포화수와 포화증기로 분리하는 수단을 설치한 구성을 포함한다.
즉, 실린더(12a)로부터 배출된 저압 습증기를 사이클론(23)에 도입하고, 화학반응에 의해 얻어진 생성물을 함유하는 물을 포화수와 포화증기로 분리하는 것이다. 이 때, 사이클론(23)으로 분리된 저압 포화증기는, 가열증기의 일부를 유량조정밸브(계)(31)를 별도로 설치한 동력발생기(17)에 도입하고, 그 에너지를 실린더(12a)와 피스톤(12b)의 반응기(12)의 동력으로서 이용할 수 있다. 13은 피스톤(12b)의 축단에 연결된 크랭크기구, 16은 동력발생기(17)의 크랭크기구이며, 21a∼21d는 열교환기이다. 이것에 의해, 장치(10)전체의 에너지효율을 향상시킬 수 있다. 동력발생기(17)에서 사용한 증기에 대해서는, 응축기(18)로 응축하고, 이것을 필터(19)를 통해 급수용으로서 보일러(11)에 복귀시킬 수 있다.
상기한 동력발생기(17)의 에너지를 반응기(12)의 동력으로서 이용하기 위해서, 크랭크기구(13)와 크랭크기구(16)가 연결되어 있다. 즉, 동력발생기(17)의 동력은 회전운동으로 변환되어서 크랭크기구(16)로부터 크랭크기구(13)에 전도되고, 이 회전운동이 반응기(12)에 있어서의 피스톤(12b)의 동력으로서 이용된다.
이 경우, 크랭크기구(13,16)의 양쪽 또는 어느 한쪽이 캠기구에 의해 구성되어 있어도 좋다. 도2에는, 크랭크기구(13) 대신에 캠기구(130)로 한 구성을 나타냈다. 캠기구(130)는 캠(130a)과 캠기부(130b)로 이루어지고, 캠(130a)은 반응기(120A)에 있어서의 피스톤(120b)의 단부(120c)와 접촉해서 캠(130)의 회전 동작을 피스톤(120b)의 신축동작으로 변환할 수 있도록 되어 있다. 120a는 실린더이다.
사이클론(23)의 반응생성물은 농축후에 기액분리기(26)에 도입되어, 포화증기와 포화수로 분리된다. 여기에서, 포화증기와 포화수를 분리하는 것은, 반응생성물은 증기로는 안되고, 액쪽에만 함유된다라고 예상되기 때문이다. 따라서, 반응생성물의 농축은, 그 액의 가열증기를 다시 분리하기만 하면 된다. 이것에 의해, 얻어진 반응생성물의 농축조작을 간단화할 수 있다. 또, 반응생성물은 포화증기중에는 함유되지 않으므로, 그것을 펌프(20)에 의해 보일러(11)로 복귀시키거나 또는 동력회수기(17)에 보내서 상기와 마찬가지로 동력원으로 이용할 수 있다.
도3에는 상기한 반응기(12) 대신에, 로터리형의 반응기(120B)를 사용하는 구성을 나타냈다. 반응기(120B)는 로터실(120d)과 그 로터(120e)로 이루어진다. 로터(120e)는 그 외주면을 로터실(120d)에 내접하는 상태에서 편심회전한다. 또, 로터(120e)의 내주부에서 구동축(120f)과 기어연결되어 있으며, 구동축(120f)의 회전이 로터(120e)를 편심회전시키도록 되어 있다. 그 밖의 구성부분에 대해서는 상기와 같다.
반응기(120B)에서는, 로터(120e)의 편심회전에 의해, 증기도입구멍(120g)으로부터 로터실(120d)내로 보일러(11)의 수증기를 도입하여 압축하고, 이것에 의해 초임계수 또는 아임계수가 만들어진다. 이 초임계수 또는 아임계수와 로터리피더(14)의 피더(14b)로부터 분출된 목분이 접촉해서, 목분을 가수분해반응에 의해 분해한다. 그 후, 로터실(120d)에서는, 로터(120e)의 회전에 의해 팽창되어서 다시 습증기로 되돌림과 아울러, 그 때의 온도저하에 의해 목분의 화학반응을 정지시킬 수 있다.
이러한 반응과정에 있어서, 고온수나 냉각수가 불필요한 것, 및 로터(12Oe)의 회전속도에 의해 목분의 가수분해반응의 속도의 제어를 용이하게 행할 수 있는 것은, 상기한 반응기(12)에 의한 경우와 같다.
반응기(120B)에서는, 로터(120e)의 회전에 따라서 로터실(120d)의 배출 구멍(120h)으로부터 저압 습증기를 배출할 수 있다. 또한, 이 배출한 저압습증기를 사이클론(23)에 도입하여 화학반응에 의해 얻어진 생성물을 함유하는 물을 포화수와 포화증기로 분리할 수 있다. 또한, 로터(120e)의 회전동작은 그대로구동축(120f)의 동력으로서 취출할 수 있고, 이 동력을 다시 로터(120e)의 회전동작 등으로서 이용할 수 있다. 따라서, 높은 에너지효율로 처리를 실행할 수 있다. 이 점에 대해서도 반응기(12)에 의한 상기한 작용과 동일하다.
다음에, 도4에 나타내는 반응기는 터보형의 고압 압축팽창기이며, 보일러(11)로부터 수증기를 터보압축기의 일종인 원심압축기(34)에 도입하는 것이다. 원심압축기(34)에서는, 도입된 수증기를 압축해서 초임계수 또는 아임계수를 만들어 낼 수 있다. 그리고, 이 초임계수 또는 아임계수는 고압반응기(33)에 송입된다.
고압반응기(33)에서는, 목분원료(A)를 목분 슬러리 탱크(41)에 도입하고, 이것을 물과 균일혼합한 후에, 피드펌프에 의해 연속적으로 공급된다. 이 피반응물질로서의 목분은, 고압반응기(33)에 송입되어 온 초임계수 또는 아임계수와 접촉해서 가수분해반응한다.
이 목분의 화학반응은, 초임계수 또는 아임계수를 고압반응기(33)로부터 레이디얼 터빈(35)으로 도입함으로써 팽창시켜서 습증기로 되돌림과 아울러, 그 때의 온도저하에 의해 그 반응을 정지시킬 수 있다. 36은 레이디얼 터빈(35)을 구동하는 모터이다.
이러한 반응과정에서는, 고온수나 냉각수는 불필요하며, 또, 레이디얼 터빈(35)의 회전속도를 변경함으로써, 목분의 반응시간이 변화되므로, 그 제어는 용이하다. 또, 원심분리기(34)에서는, 큰 일을 필요로 하지만, 동일축상에 배치한 레이디얼 터빈(35)에서의 팽창에 그 일은 취출되어 상쇄하도록 작동한다. 터빈(35)을 나온 증기는 사이클론(23)에서 기액분리되고, 포화증기는 보일러(11)에 복귀되지만, 그 일부는 레이디얼 터빈(35)에 도입되어 동력을 발생시켜서 발전기(38)로부터 전력을 얻고, 이것을 원심압축기(34)의 구동의 보조에 사용한다.
용이하게 유체의 고온고압상태를 얻기 위해서는, 도5에 나타내어지듯이, 원심압축기(34) 및 레이디얼 터빈(35)을 2단 혹은 복수단 설치할 수 있다. 이 경우에는, 2단의 원심분리기(38) 사이에 혼합기(37)를 설치하고, 피드펌프(41)에 의해 냉수를 공급해서 가열증기의 습도의 조정을 행한다.
다음에, 도6에 나타내듯이, 본 발명의 반응장치에서는 피스톤(12b)의 양측에 용적을 설치하고, 증기를 한 쪽의 용적을 경유한 후에, 다른 한쪽의 용적에 도입하고, 그 한쪽에서만 증기압축을 행하는 구성을 포함한다. 이 구성에 의하면, 양측의 용적에서의 압력차를 저감할 수 있으므로, 13의 베어링부하를 경감시키는 것이 가능하게 된다.
도7에 나타내는 본 발명의 반응장치에서는, 반응기(12)에 대해서, 실린더(12a)와 피스톤(12b)으로 형성되는 증기압축을 행하는 용적을 피스톤(12b)의 양측에 설치한 구성을 포함한다. 이러한 복동식의 구성으로 하면, 단위시간당의 피반응물질의 화학반응량을 늘릴 수 있다.
도8에 나타내는 본 발명의 반응장치는, 실린더(12a)와 이 실린더의 피스톤(12b)으로 이루어지는 반응기(12)의 기구에 소기밸브(12c) 및 도입포트(12e)에 유로전환밸브(12g,12h)를 연결한 구성이다. 각 유로전환밸브(12g,12h)가 모두 폐쇄된 시간은, 소기밸브(12c) 및 도입포트(12e)의 유로는 폐쇄되므로, 피반응물질이 이 반응기(12)내에서의 초임계유체에 의한 처리를 일정시간 연속해서 반복되도록 설정할 수 있다.
이 반응장치에 따르면, 유로전환밸브(12g,12h)가 폐쇄되면, 소기밸브(12c)로부터의 생성물의 배출이 정지됨과 아울러, 도입포트(12e)로부터의 새로운 증기의 유입도 정지된다. 이 때문에, 반응기(12)에서는, 피스톤(12b)에 의한 복수회의 초임계처리가 피처리물질에 연속해서 반복실행된다. 이것에 의해, 피반응물질의 종류에 따라 필요한 반응시간을 확보하고, 그 반응이 양호하게 종료되는데에 분단위 등의 긴 시간을 요할 경우에도, 피반응물질 전체를 효율적으로 처리하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 반응장치에는, 도9에 나타내듯이, 실린더(12a)와 이 실린더의 피스톤(12b)으로 이루어지는 반응기(12)가 복수개 설치되어 이루어지는 구성을 포함한다. 이 복수구성에서는, 제1반응기(12)의 소기밸브(12c)로부터 배출되어 온 목분의 반응생성물을 유로전환밸브(12g)를 통해 제2반응기(12)이하의 반응기에 차례로 이행시킬 수 있다. 그리고, 제2반응기(12)에서 다시 동일 반응을 반복할 수 있다.이 경우에도 상기와 마찬가지로, 피반응물의 종류에 따라 필요한 반응시간을 확보하고, 그 반응이 양호하게 종료될 때까지 분단위의 시간을 요할 경우에도, 전체적으로 시간적으로도 효율좋게 처리하는 것이 가능하다. 이러한 작용은, 상기 로터리형의 반응기(120)나, 원심압축기(34), 레이디얼 터빈(35) 등의 터보형의 압축팽창기가 반응기가 복수개 설치된 구성에 있어서도 마찬가지로 얻어진다.
상기한 각 도면에 있어서, 29는 배기 후처리장치이며, 상기한 화학반응에 의해 발생한 배기나 보일러(11)에서 발생한 배기를 굴뚝(3O)으로부터 대기중으로 방출한다.
매질유체를 물로 한 경우, 본 발명의 장치에 있어서는, 도10에 나타낸 바와 같이, 실린더(12a)에 산화제를 분사해서 도입할 수 있는 산화제 공급기(150)를 설치한 구성을 포함한다. 산화제 공급기(150)로부터는, 분사기(150a) 및 인젝터(14b)를 통해 반응기(12)에 직접 연결해서 설치해 둘 수 있다. 이것에 의해, 실린더(12a)내에서, 초임계수 산화반응이 발생하여 목분의 산화분해를 행할 수 있다.
즉, 산화제공급기(150)를 분사하는 구성에 따르면, 약 374℃, 218기압 이상의 고온고압영역의 초임계수중에서, 초임계수 산화법(Supercritical Water Oxidation Method)의 원리에 의해, 초임계수중에서 기체, 액체 또는 슬러리상의 유기물질과 목분이 균일상으로 되어, 촉매를 사용하지 않아도, 연소반응이 진행하여 완전연소해서 분해할 수 있다. 이것에 의해, 종래의 초임계수, 아임계수, 가압열수에 의한 처리보다 낮은 에너지소비로 처리하는 것이 가능하다.
유체를 물로 한 경우, 본 발명의 반응장치에는, 도11에 나타낸 바와 같이, 사이클론(23)에서 분리된 생성물의 기체성분을 도입할 수 있는 위치에, 기액분리기(230) 등으로 이루어지는 가스화장치를 설치한 구성으로 할 수 있다. 생성하는 기체성분은 목분 등의 유기물질을 장시간, 초임계수로 처리하고, 분해반응을 진행시킴으로써 얻어진다. 이 가스화장치에서는 피처리물질이 메탄, 수소, 일산화탄소나 이산화탄소 등의 가스와, 수증기와의 혼합가스 중 수증기만을열교환기(231)로 냉각함으로써 액화하고, 그 후단의 기액분리기(230)에 의해 메탄, 수소, 일산화탄소나 이산화탄소 등의 분해가스와 물로 분리할 수 있다. 이것은 상압의 경우에 있어서의 비점이, 물이 10O℃인 것에 대해서, 메탄에서는 -182℃, 수소에서는 -253℃, 일산화탄소에서는 -191℃, 이산화탄소에서는 -78℃이며, 모두 물과 비교해서 매우 저온이기 때문이다. 수증기의 액화시에 발생하는 열에너지는 열교환기(231)에서 보일러급수(E)의 가열에 이용할 수 있다. 또, 기액분리기(230)에 의해 분리된 물은 다시 보일러에 복귀시킬 수 있다.
본 발명의 반응장치에 있어서의 피반응물질로서는, 목재 외에, 도시 쓰레기를 포함하는 바이오매스원료, 폐타이어, 석탄 등의 탄소함유물질, 메탄올 등의 저분자 알코올과 유지, 또한 PET병 등의 고분자 폴리머, PCB, 프레온, DXN(다이옥신) 등의 할로겐함유물질 등 각종의 유기계 물질을 대상으로 할 수 있다.
매질유체를 물이나 알코올 등의 프로톤성의 유체로 한 경우, 피반응물질이 도시쓰레기를 포함하는 바이오매스 자원인 경우, 바이오매스를 초임계수 또는 아임계수에 의해 가수분해해서 글루코오스 등의 저분자의 당을 생성물로서 얻을 수 있다.
또, 피반응물이 도시 쓰레기를 포함하는 바이오매스 원료, 폐타이어, 석탄 등의 탄소함유물질로부터 선택되는 어느 하나의 물질인 경우에는, 그 선택물질을 초임계수 또는 아임계수에 의해 분해해서 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 메탄가스를 함유하는 합성가스를 얻을 수 있다. 이 때, 초임계수를 매우 고온으로 하면, 열분해가 신속하게 행해지며, 상기 성분의 합성가스가 생성되어 초임계상태의 물에용해된다. 이것을 저온으로 되돌리면, 합성가스로 되어서 가연성 가스가 되기 때문에, 이것을 메탄올 원료로 할 수도 있다.
피반응물질이 폐식용류 등의 유지인 경우에는, 이들을 초임계 알코올 또는 아임계 알코올에 의해 에스테르 교환반응을 행하여, 에스테르 화합물을 얻을 수 있다.
매질유체를 물이나 알코올 등의 프로톤성의 유체로 한 경우, 1피반응물질이 PET병 등의 폴리에스테르일 때에는, 테레프탈산이나 에틸렌 글리콜 등의 화학원료로 분해해서 회수할 수도 있다.
피반응물이 PCB, 프레온, DXN(다이옥신) 등의 난분해성의 할로겐함유물질인 경우, 무해화할 수 있을 때까지 분해할 수도 있다. 이 경우, 산소 등의 산화제나 알칼리 등을 첨가시켜서 분해시키는 경우도 있다.
매질유체를 물이나 알코올 등의 프로톤성의 유체로 한 경우, 본 발명의 반응 장치에 있어서, 상기한 바와 같이, 바이오매스를 분해해서 얻어진 생성물이 글루코스 등의 저분자의 당일 때, 도12에 나타낸 바와 같이, 에탄올 발효조(232)를 기액분리기(26)의 후방위치에 설치함으로써, 그 초임계수나 아임계수에 의해, 고분자를 당화해서 얻어진 글루코스 등의 저분자류를 효율적으로 에탄올로 변환시킬 수 있다. 즉, 기액분리기(26)에 있어서의 생성물의 수용성 성분을 에탄올 발효조(232)에 도입해서 효모, 대장균 등의 균류의 작용에 의해 에탄올을 생성한다. 따라서, 이 경우, 종래의 초임계수, 아임계수 또는 열수 등의 처리장치와 비교해서, 저에너지 소비로 효율적으로 에탄올을 얻을 수 있다. 또, 초임계나 아임계상태의 물 등의 프로톤성 유체를 사용해서 당화처리를 행하는 경우, 그 처리에 요하는 시간은 초임계수가 초오더이하, 아임계수가 수분∼초의 오더인 것에 대해, 효소당화는 수십시간이며, 매우 긴 처리시간을 요하므로, 초임계수나 아임계수를 사용해서 당화하는 방법은 매우 단시간에 처리할 수 있다.
매질유체를 물이나 알코올 등의 프로톤성의 유체로 한 경우, 상기의 에탄올 발효조(232) 대신에, 도13에 나타내듯이, 얻어진 생성물의 수용성 성분을 도입할 수 있는 위치에 ABE 발효조(233)를 설치한 구성으로 할 수도 있다. ABE 발효조(233)에서는, 도입한 생성물을 아세톤, 부탄올 및 에탄올로까지 변환할 수 있다. 이것에 의해, ABE 발효시킬 수 있다. 본 발명의 장치는, 종래의 초임계수, 아임계수 또는 열수 등의 처리장치와 비교해서, 저에너지소비로 효율좋게 아세톤, 부탄올, 에탄올을 얻을 수 있다.
매질유체를 물이나 알코올 등의 프로톤성의 유체로 한 경우, 본 발명의 반응장치에서는 도14에 나타낸 바와 같이, 메탄 발효조(234)를 기액분리기(26)의 후방위치에 설치함으로써, 그 초임계수나 아임계수에 의해, 고분자를 저분자화해서 글루코스 등의 저분자류를 효율적으로 메탄가스로 변환시킬 수 있다. 즉, 초임계나 아임계유체에 의해 저분자화된 생성물을 메탄 발효조(234)내의 메탄 발효균의 작용으로 메탄가스로까지 변환한다. 이 경우, 종래의 초임계수, 아임계수 또는 열수 등의 처리장치와 비교해서 저에너지 소비로 효율적으로 메탄가스를 얻을 수 있음과 아울러, 또 초임계수나 아임계수 이외의 방식과 비교해서, 매우 단시간에 또한 고속으로 처리하여 메탄가스를 얻는 것이 가능하다.
다음에, 본 발명에 관한 초임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치(10)의 제1실시예를 설명한다. 이 반응장치(10)에서는 유체로서 물을 사용하는 것이다.
압축팽창기(12)에 있어서 수증기를 압축해서 초임계수를 얻고, 피반응물질의 초임계수반응을 행하게 하는 경우, 압축종료시의 압력은 임계압력의 22.1MPa이상이며, 또한 온도가 임계온도인 374℃이상으로 되지 않으면 안된다. 피반응물질이 목분이며, 그것을 가수분해해서 글루코스 등의 저분자의 당을 얻는 경우에는, 압축종료시의 압력이 높을수록 생성분의 과분해를 억제할 수 있고, 또, 그 온도가 높을수록 반응속도가 높은 것이 알려져 있다.
그래서, 이들의 것을 감안해서, 수증기의 압축에 의해 도달하는 압력 및 온도로서, 각각 25MPa 및 410℃를 선택했다. 여기에서, 목분의 양은 물의 양과 비교해서 적을 때의 극한을 고려하여, 그 영향은 무시할 수 있는 것으로 하고, 또한 압축중에는 수증기와 실린더의 열교환은 없는 등, 엔트로피변화에 의해 상기의 목표점에 도달한다라고 가정해서, 압축개시시의 습증기의 상태를 구했다. 물 및 증기의 열역학 데이터는 일본 기계학회증기표(1980)를 참조했다.
먼저, 목표점의 비엔트로피(s)를 구하고, 가정한 압축전의 압력에 대해서 포화수의 비엔트로피(s') 및 포화증기의 비엔트로피(s")의 차(s"-s')로부터, 목표의 비엔트로피(s)와 같아지는 건도(x)를 구할 수 있다. 도18의 표는 목표점의 상태와 압축전의 습증기가 압력 3MPa인 경우에 대해서 계산한 결과를 나타낸다.
이 도18에 나타내는 결과로부터 알 수 있듯이, 3MPa의 습증기는 포화온도가 234℃이며, 목표점과 같은 비엔트로피를 얻기 위해서는, 건도(x)가 75.2%이다. 건도(x)가 구해지면, 포화수의 비용적(v') 및 포화증기의 비용적(v")의 차(v"-v')로부터 습증기의 비용적(v) 및 밀도(1/v)가 구해진다. 또한, 압축전의 비용적(v)과 목표점의 비용적(v0)의 비로 정의되는 압축비(ε)가 구해진다.
도18에서, 압축비(ε)는 7.3이며, 압축전의 실린더내 용적을 7.3분의 1까지 압축하면, 목표로 하는 초임계수의 상태에 도달할 수 있다. 만약, 반응의 영향이 무시할 수 있을 정도로 작고, 또한 등엔트로피변화라고 가정할 수 있다면, 목표점에 도달한 후에는 크랭크기구에 의해 팽창이 진행되고, 실린더내의 용적이 최대가 되며, 팽창후에는 압축전과 같은 상태로 되돌아간다. 또, 압축전의 수증기의 압력 3MPa에서는, 그 포화수를 목분원료의 반응을 쉽게 하기 위한 폭쇄를 위해서도 사용할 수 있다. 또, 압축전의 압력이 3MPa를 대폭 초과하면, 포화온도가 높기 때문에 반응을 완전히 정지시킬 수 없게 될 가능성이 있다.
다음에, 압축개시전에 실린더내에는 포화증기만을 송입하고, 피반응물질인 목분을 냉수와 함께 분사해서, 실린더내에서 목분의 양호한 균일분포를 꾀함과 동시에, 압축중에 목분의 필요없는 반응의 진행을 억제하기 위해서, 상기와 동일조건으로 필요한 냉수의 양을 구했다. 압축종료로 목분의 균일한 혼합이 이루어져서 습증기의 경우와 같은 목표점의 초임계수상태에 도달하기 위해서는, 압축전의 비엔탈피가 습증기의 경우와 같은 값이 되도록 하면 좋다. 냉수의 비엔탈피를 hw', 압축전의 습증기의 비엔탈피를 hs', 그 때의 포화증기의 비엔탈피를 hs", 물 및 수증기의 전체질량에 차지하는 냉수의 질량을 y로 하면, 그것으로부터 다음의 관계를 이끌어낼 수 있다.
y=(hs"-hs')/(hs"-hw')
냉수의 온도를 50℃로 하고, 압축전의 증기압력을 3MPa로 해서, 상기한 일본 기계학회 증기표로부터 필요한 값을 구하면, y=0.183이다. 즉, 주입해야 할 냉수의 양은, 전체 물의 양의 18%이면 되고, 나머지는 포화증기의 상태로 실린더에 주입하면 된다.
실제의 경우에는, 피반응물질의 양, 반응, 수증기와 벽면의 열교환등 여러가지의 영향을 받으므로, 상기의 이상적인 상태변화에서 벗어나지만, 그 차이는 그다지 큰 것이 아니고, 가령 차이가 있어도 적절하게 설정조건에 보정을 가하면 된다.
다음에, 반응장치(10)에 관한 에너지의 수지(收支)를, 종래의 반응장치인 유동형 초임계수 반응장치와 비교해서 설명한다. 종래의 반응장치인 유동형 초임계수 반응장치에서는 도15에 나타내듯이, 원료목분이 고분산된 냉수(A)를 목표온도(예를 들면 410℃)보다 높은 초임계수(Wb)와 혼합함으로써, 목표의 초임계수상태로 하고, 초임계수를 냉각수(Wc)로 급냉함으로써, 목분의 반응을 정지시키는 것이다.
이하에, 목표점으로서 선택한, 25MPa 및 410℃에 있어서의, 종래의 유동형 초임계수 반응장치의 에너지 수지를 계산했다. 150℃의 비엔탈피(h150)는 h150=647.7kJ/kg, 410℃에서는 h410=2691kJ/kg이다. 그리고, 550℃에서는 h550=3337kJ/kg이다. 계산은, 임시로, 150℃의 냉각수가 유통되고 있는 부분에, 냉수의 약 3.165배량(150℃의 냉수 1kg에 대해서 혼입하는 550℃의 초임계수량을 akg으로 하고, 비엔탈피의 계산식 h410(1+a)=h150+h550a로부터 환산)의 55O℃초임계수가 유입 혼합됨으로써, 목표점의 초임계상태에 도달한다. 그후, 냉수에 의해 초임계수가 150℃로 냉각되어 반응이 정지한다라고 설정해서 행했다.
이상과 같이, 종래장치에서는, 냉수첨가에 의해 반응을 정지시키므로, 냉수의 3.15배량의 550℃초임계수;h550×3.165=10560kJ/kg의 에너지를 버리지 않으면 안된다. 단, 일부는 상온의 냉수를 150℃까지 가열하는데에 사용할 수 있다. 따라서, 도16에 나타낸 바와 같이, 종래의 유동형 초임계 반응장치에서는 10560kJ/kg에서 h150;648kJ/kg만큼을 뺀 β1991OkJ/kg가 에너지 손실분이 된다.
한편, 목표점으로서 선택한 25MPa 및 410℃에 있어서의, 본 발명의 반응장치(10)의 에너지 수지계산은, 상온의 냉수를 3MPa, 234℃로 가열하여, 그 습증기를, 반응팽창기에 의한 압축에 의해 목표점(25MPa, 410℃)에 도달시켰다. 그 후, 팽창에 의해 초임계수가 냉각되어, 다시 234℃가 된다라고 해서 설정해서 행했다. 3MPa, 234℃, 건도 0.752의 습증기의 비엔탈피는 2357kJ/kg, 41O℃에서는 h410=2691kJ/kg이다. 도17에서, 습증기의 비엔탈피(2691kJ/kg) 중 대부분이 에너지 회수되어, 목분의 화학반응에 따르는 불가역변화, 즉, 실린더내 액체와 실린더 벽면 사이의 열교환, 피스톤 및 크랭크기구 등의 마찰 등의 경미한 부분만이 약간 에너지 불가역 손실분이 된다.
반응기의 압축 일은 비내부에너지(u)로, u=h-pv(h:비엔탈피, p:압력, v:비용적)의 관계에서, 313kJ/kg이다. (물 및 증기의 열역학 데이터는, 일본 기계학회 증기표(1980)를 참조했다. ). 팽창에 의해 압축 일의 대부분은 회수되지만, 반응, 열손실, 마찰 등이 불가역 손실분으로서 발생하고, 그 손실분은 동력발생기에 의해 보충된다. 그 기계적인 불가역 손실분은, 반응기와 동력발생기의 일손실 합계가 28%라고 하면, 약 122kJ/kg이다. 그 손실분은 동력발생기에 의해 보충되므로, 동력발생기의 이론열효율을 33%로 하면, 동력발생기에서 약 370kJ/kg의 열이 필요하게 된다. 따라서, 반응기 및 동력발생기에 있어서의 에너지 손실분(β')은 370kJ/kg이며, 종래의 유동형 반응장치의 991OkJ/kg의 27분의 1에 불과하다. 또, 반응장치(10)는 폭쇄기를 부하한 것이지만, 폭쇄기에 관한 에너지는, 반응장치(10)에서도 유동형 반응장치에서도 변하지 않으므로, 에너지 수지의 계산에서는 생략한다.
이상과 같이, 반응장치(10)는 종래의 유동형 반응장치와 비교해서, 에너지 손실분이 매우 적고, 그 가동에 필요한 에너지 소비량이 매우 작다.
본 발명의 장치에 있어서의 유체로서는, 물 이외의 것에 대해서도 초임계상태로 할 수 있다. 이산화탄소, 아산화질소, 프레온12, 프레온13, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 헥산, 메탄올, 에탄올, 벤젠, 톨루엔, 암모니아 등이다. 이들 각 물질의 임계조건 데이터를 도19에 나타냈다.
본 장치는, 임계온도·압력이 높은 물에 있어서 초임계상태를 실현하는 것이 가능하다. 도19의 임계조건 데이터로부터, 프레온12는 그 임계온도, 임계압력의 조건은 물과 비교해서 낮으므로, 매질유체로서 프레온12를 이용할 경우에는 본 발명의 장치에 있어서 충분한 초임계상태의 실현이 가능하다.
본 발명의 제2실시형태로서, 매질유체를 프레온12로 한 경우, 프레온12에 대한 목표점의 상태를 온도 130℃, 압력 4.9MPa로 하고, 압축전의 습증기의 압력을 0.7MPa로 한 경우에 대해서 계산한 결과를 도20의 표에 나타냈다. 프레온12의 열역학 데이터는, 일본 냉동협회 R12 냉매열물성값표(1981)를 참조했다.
도20에서, 상기 유체가 물인 경우와 마찬가지로, 압축압력 ε=6.4가 구해지고, 압축전의 1분의 6.4까지 압축하면, 목표로 하는 초임계유체의 상태에 도달할 수 있다. 또한, 목표점에 도달한 후에는 크랭크기구에 의해 팽창이 진행되고, 실린더내의 용적이 최대가 되고, 팽창후에는 압축전과 같은 상태에 되돌아간다.
본 발명의 반응장치(10)에 있어서, 목표점으로서 선택한 4.9MPa, 130℃에서의 에너지 수지는, 상온의 프레온12를 0.7MPa, 40.0℃로 가열하고, 그 습증기를 반응기에 의한 압축에 의해 상기 목표점에 도달시키고, 그후 팽창에 의해 초임계유체가 냉각되어, 다시 40.0℃로 된다라고 해서 설정해서 행했다. 이 경우도 습증기의 비엔탈피 중 대부분이 에너지 회수되어, 화학반응에 따르는 불가역변화, 및 실린더내 액체와 실린더 벽면 사이의 열교환, 피스톤 및 크랭크기구 등의 마찰 등의 경미한 부분만이 약간 에너지의 불가역 손실분이 된다. 이와 같이 팽창에 의해 압축일은 회수되지만, 반응, 열손실, 마찰 등이 불가역 손실분으로서 발생하고, 그 손실분은 동력발생기에 의해 보충된다.
본 발명의 장치의 반응기 및 동력발생기에 있어서의 에너지 손실분은, 유체가 프레온12이어도, 종래의 유동형 반응장치에 의한 값에 비해서 매우 적으므로,본 발명의 장치를 가동하는데에 필요한 에너지는 매우 작다.
상술한 바와 같이 본 발명의 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치가 구성되므로, 다음과 같은 효과가 발휘된다.
본 발명의 초임계수 또는 아임계수에 의한 유기물질 등의 반응장치는, 피스톤, 로터리 또는 터보압축기와 터빈에 의해, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단과, 이 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물질 등의 피반응 물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단과, 이 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단과, 그리고, 피반응물질을 액체상의 유체와 함께 반응기내에 분사시키는 수단에 의해 구성되어 있으므로, 저온의 액체(유체가 물인 경우 냉수)를 사용하지 않고 고온고압의 유체중에서의 피반응물질의 고속의 반응을 급냉하여 급속정지(동결)시킬 수 있다.
피스톤의 상하운동이나 로터의 회전운동의 속도를 조정하는 것, 또는 터보압축기와 터빈에 접속된 반응용기의 용적을 조정하는 것에 의해, 초임계유체나 아임계유체 등의 고온고압의 유체중에서의 고속의 반응을 단시간에 정지시켜, 반응의 제어를 행할 수 있다.
이들의 수단이, 초임계 또는 아임계의 고온고압유체를 팽창시킴으로써 온도와 압력을 낮추고, 반응을 정지시킬 때의 팽창의 일을 다시 증기의 압축의 일에 이용함으로써, 초임계나 아임계의 고온고압유체의 생성에 필요한 에너지의 회수가 가능해졌다. 이 회수한 에너지를 이용하여, 초임계 또는 아임계의 고온고압상태에서의 화학반응의 에너지가 매우 높은 장치를 제공할 수 있다.
레시프로형 또는 로터리형의 반응기의 반응기구에 소기밸브와 도입포트의 유로에 각각 유로전환밸브 등의 개폐부를 설치하고, 이들 개폐부의 폐쇄시에, 피반응물질을 일정시간 연속해서 반복처리할 수 있도록 하는 구성, 또는 레시프로형 또는 로터리형의 반응기를 복수 설치한 구성으로 함으로써, 분단위의 처리가 필요한 피처리물질에 대해서도 유효한 처리시간을 확보할 수 있다. 이것에 의해 간단한 구성으로 효율적으로 반응의 생산성을 향상시키는 것이 가능하다. 특히, 상기 레시프로형의 실린더와 피스톤에 의해 유체의 증기압축을 행하는 용적을 피스톤의 양측에서 행하는 구성으로 한 복동형으로 하는 경우에는, 반응능률을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
상기 레시프로형이나 로터리형의 반응기에서는, 피반응물질의 반응이 주기적으로 행해지는 주기적인 처리로 되지만, 터빈형에서는, 피반응물질을 연속적으로 공급해서 그 화학반응을 연속적으로 행하는 것이 가능하다.
유체가 물 등의 프로톤성 유체인 경우, 피처리물질이 목질원료 등의 유기계 바이오매스이면, 그 유기계 바이오매스를 저급 당류 등으로 저분자화(가용화)할 수 있다. 또한, 이 저분자화물을 에탄올 발효, ABE 발효 및 메탄 발효시킴으로써, 연료 등으로서 사용하는 것이 가능한 액체성분이나 기체성분으로까지 효율적으로 변환하는 것이 가능하다. 이 기체성분으로서는, 예를 들면, 메탄가스인 경우에는, 또한 메탄올 합성장치나 가스엔진 등에 공급해서 재이용하는 것이 가능하다.

Claims (25)

  1. 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단과, 이 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단과, 이 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  2. 제1항에 있어서, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단이 실린더와 이 실린더에 설치된 피스톤으로 이루어지며, 이 피스톤을 동작시킴으로써 증기를 압축하고, 화학반응의 종료후에 피스톤을 역방향으로 동작시켜서 온도와 압력을 낮추고, 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 실린더로부터 꺼내서 새로운 증기를 실린더에 도입함으로써 주기적으로 작동시키도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  3. 제2항에 있어서, 피스톤을 동작시킴으로써 증기를 실린더내의 한쪽에서만 압축하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 실린더에의 새로운 증기의 도입을 유체의 포화증기만으로 하고, 피스톤에 의한 압축개시시 혹은 압축도중 혹은 압축종료후에, 유체의 포화액 혹은 냉유체를 피반응물질과 함께 실린더에 주입하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서, 실린더와 피스톤으로 형성되는 증기의 압축을 행하는 용적을 피스톤의 양측에 설치한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  6. 제5항에 있어서, 피스톤의 양측에 압축팽창기를 설치하고, 각각 압축팽창기에 인젝터(원료분사장치)를 설치한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤의 양측에 설치한 실린더와 피스톤으로 형성되는 증기압축을 행하는 용적의 한쪽에서 습증기를 압축하고, 다른쪽의 용적은 유체증기를 고압으로 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더와 이 실린더에 설치된 피스톤으로 이루어지는 기구에 있어서, 피스톤의 일을 회수하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  9. 제1항에 있어서, 유체증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물질 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단이 로터실과 그 로터실에 설치된 로터로 이루어지고, 이 로터를 로터실내에서 편심회전시킴으로써, 증기를 압축하고, 상기한 화학반응후에 로터를 다시 회전시켜서 온도와 압력을 낮추고, 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 로터실내로부터 꺼내서 새로운 증기를 로터실내에 도입시킴으로써 주기적으로 작동시키도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  10. 제1항에 있어서, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물질 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단이 터보압축기와 이 터보압축기에 직결된 터빈으로 이루어지며, 터보압축기를 동작시킴으로써, 증기를 압축하고, 화학반응의 종료후에 터빈을 통과해서 온도와 압력을 낮추고, 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 꺼내는 터빈과 터보압축기를 직결함으로써 동력을 회수하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 화학반응에 의해 얻어진 생성물을 함유하는 유체를 사이클론 또는 원심분리기에 의해 포화물과 포화증기로 분리하는 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 피반응물질을 고압의 포화유체에 침지한 상태에서 급속히 제압하는 폭쇄장치를 설치하고, 이 폭쇄장치로 유기물질 등의 피반응물질을 미세화하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 또는 로터실과 이들 실린더의 피스톤 또는 로터실의 로터로 이루어지는 기구에 있어서의 소기밸브 및 도입포트에 유로전환밸브 등의 개폐부를 각각 설치함과 아울러, 이들 개폐부의 개폐상태를 설정할 수 있도록 해서 이루어지며, 이들 개폐부를 일정시간마다 폐쇄하도록 설정함으로써, 이 기구에 의한 초임계처리를 연속해서 계속적으로 행할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  14. 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 로터실 또는 터보압축기와 이들 실린더의 피스톤, 로터실의 로터 또는 압축기의 터빈으로 이루어지는 기구가 복수개 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  15. 제14항에 있어서, 복수의 실린더, 로터실 또는 터보압축기와 이들의 피스톤, 로터 또는 터빈으로 이루어지는 기구에 있어서의 각 실린더, 각 로터실 또는 각 터보압축기에의 증기의 도입부 및 소기부를 순차 유로전환밸브 등의 개폐부를 통해서 연결해서 이루어지며, 증기를 압축해서 초임계유체 또는 아임계유체를 얻는 수단, 초임계유체 또는 아임계유체를 유기물질 등의 피반응물질에 접촉시켜서 화학반응을 행하게 하는 수단, 및 화학반응에 의해 발생되는 생성물을 함유하는 유체를 팽창시켜서 감압시키는 수단에 의한 각 과정을 복수회 행할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더, 로터실 또는 터보압축기와 터빈 사이에 존재하는 고압반응기내에 산화제를 분사해서 도입할 수 있는 산화제 분사장치를 설치하고, 도입한 유기물 등의 피반응물질을 초임계상태에서 산화분해하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 생성물인 유체 혼합물로부터 분리된 포화증기를 다시 기체성분과 증기성분으로 분리하는 가스화장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 피반응물질이 도시 쓰레기를 포함하는 바이오매스원료이며, 생성물이 바이오매스를 분해해서 얻어지는 글루코스 등의 저분자의 당 등인 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 바이오매스를 분해해서 얻어진 글루코스 등의 저분자의 당 등의 생성물의 액체성분을 도입하는 효모, 대장균을 갖는 에탄올 발효조를 설치하고, 이 에탄올 발효조에 도입한 당을 상기 효모, 대장균 등에 의해 에탄올로까지 변환하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 바이오매스를 분해해서 얻어진 글루코스 등의 저분자의 당 등의 생성물의 액체성분을 도입하는 ABE 발효균을 갖는 ABE 발효조를 설치하고, ABE 발효조에 도입한 당을 ABE 발효균에 의해 아세톤, 부탄올 및 에탄올로까지 변환하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에의한 유기물질 등의 반응장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 바이오매스를 분해해서 얻어진 생성물의 기체성분을 도입하는 메탄 발효균을 갖는 메탄 발효조를 설치하고, 메탄 발효조에 도입한 생성물의 당을 메탄 발효균에 의해 메탄가스로까지 분해하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  22. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 피반응물질이 도시 쓰레기를 포함하는 바이오매스원료, 폐타이어, 석탄 등의 탄소함유물질로부터 선택되는 어느 하나의 물질이며, 생성물이 상기 선택물질을 분해해서 얻어지는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 메탄가스를 함유하는 합성가스인 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  23. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 피반응물질이 PET병 등의 고분자 폴리머이며, 생성물이 고분자 폴리머재의 원료물질인 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  24. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 피반응물질이 폐식용유 등의 유지이며, 이들을 초임계유체 또는 아임계유체에 의해 지방산 에스테르로 변환하도록 한 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
  25. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 피반응물질이 PCB, 프레온, DXN(다이옥신) 등의 염소함유물질이며, 피반응물질을 분해해서 무해화하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 또는 아임계유체에 의한 유기물질 등의 반응장치.
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