(57)【要約】【課題】短時間で昇温可能な、マイクロスケールの高温高圧流体反応装置、及び高温高圧流体製造装置を提供する。【解決手段】作動流体を高温高圧場において反応させるための高温高圧流体反応装置において、予熱器内の金属細管を、直接通電又は電磁誘導方式により発熱させ、金属細管内の作動流体を間接熱交換により昇温させる、予熱器、反応器、及び冷却器を順次配設した高温高圧流体反応装置、及び該予熱器よりなる高温高圧流体製造装置。【効果】  高温高圧条件を迅速に作り、効率よく温度制御と化学反応を行わせることが可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予熱器、反応器、及び冷却器を配設した高温高圧流体反応装置において、金属細管で構成された予熱器、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体反応装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
金属細管の内径が、１ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項４】
予熱器が、単一の金属細管で構成されている請求項１から３のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項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請求項１から４のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項６】
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５に記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項７】
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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体である請求項１から６のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項８】
作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体である請求項７に記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項９】
予熱器が、作動流体を１秒以下で昇温させる機能を有する請求項１から８のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項１０】
請求項１から９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。
【請求項１１】
作動流体を加熱して高温高圧流体とする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金属細管、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体製造装置。
【請求項１２】
金属細管の内径が、１ｍｍ以下である請求項１１に記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１３】
金属細管が、単一である請求項１１又は１２のいずれかに記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１４】
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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体である請求項１１から１３のいずれかに記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１５】
作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体である請求項１４に記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１６】
高温高圧流体製造装置が、作動流体を１秒以下で昇温させる機能を有する請求項１１から１５に記載の高温高圧流体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な高圧流路内の作動流体からなる高温高圧場において、例えば、化学反応を行わせるための高温高圧流体反応装置及び高温高圧流体製造装置に関するものであり、更に詳しくは、作動流体を急速に、加熱・冷却することができる、予熱器、反応器及び冷却器を有する高温高圧流体反応装置において、予熱器内の金属細管を、直接通電又は電磁誘導方式により発熱させることにより、金属細管内の作動流体を間接加熱する高温高圧流体反応装置に関するものである。本発明は、化学プロセス技術、エネルギー化技術及び廃棄物分解技術等の分野で広く利用されている、高温高圧プロセスに関する技術分野において、新しい高温高圧流体反応装置を提供するものであり、迅速な加熱と、冷却を達成することができるとともに、マイクロスケールの高温高圧反応を実行することができる反応装置（マイクロリアクタ）及び高温高圧流体製造装置（マイクロ熱交換器）を提供するものとして有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、化学合成、生化学分析等の技術分野において、微小な流路や反応室を、薄い金属板もしくはガラスや樹脂基板上に形成・積層して化学反応を行わせるマイクロリアクタと呼ばれる反応装置の開発と利用が進みつつある。このマイクロリアクタは、装置全体の寸法をコンパクトにでき、内部流体の一定体積あたりの表面積（比表面積）が極めて大きいことから、反応物質界面での反応・混合が効率的に行なわれ、また、熱移動が効率的かつ迅速なものにできるという化学反応装置として望ましい特性をもっている、しかし、これら既存の装置・システムは、高温高圧に耐える構造とはなっておらず、常温常圧近傍での利用が主体となっている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
一方、純水や二酸化炭素を、それぞれの物性固有値である熱力学的臨界点を超えた超臨界状態とし、それを化学反応場として高度に利用しようとする、超臨界流体を利用した反応技術の開発が活発化している。その応用範囲は、ファインケミカルからナノマテリアル合成、自動車用の新型燃料生産、半導体製造、廃棄物処理、化粧品生産、ＰＣＢ等の有毒物質の無害化処理、酸化分解処理等、きわめて幅広い産業分野に広がっており、低環境負荷型の流体反応技術としての利用範囲はますます広がると期待されている。特に、水を利用する場合の超臨界水を利用した反応技術では、その熱力学的臨界点（２２．１ＭＰａ、３７４℃）が高温高圧であることから、それ以上の圧力・温度条件での化学反応装置には、高温条件下での耐圧性能を高くする工夫が必須である。
【０００４】
前述のマイクロリアクタは、微小な流路空間を利用するために、受圧面積が小さくなることから、耐圧性能を高くすることができる可能性を持ち、更に、化学反応面では、反応物質界面での反応・混合が効率的に行われる等、好ましい特性を持っている。例えば、超臨界水とマイクロリアクタを利用した低環境負荷型の新しい化学原料生産方法が報告されている（特許文献３参照）。この方法は、小さな内径を持ち、耐圧性を有する細い金属管の内部空間をそのままマイクロリアクタとして利用し、常温の反応溶液に対して、超臨界状態の高温高圧水を直接混合することによって溶液温度を上昇させて反応を開始させ、外部保温器によって温度を保つ方式の化学反応装置を利用する。また、このような超臨界流体反応技術とマイクロリアクタ技術が融合した手法により、触媒を使用せずに水のみを利用した、効率的かつ環境負荷の小さい化学反応手法が実証されている。超臨界反応装置のマイクロ化の実用化にあたり、急速熱交換により、急速昇温、短時間反応、及び急速冷却を実施することにより、装置のコスト低減、省エネルギー化、副次反応の抑制、高収率、高選択性が実現可能である。しかしながら、直接熱交換方式、例えば、超臨界水、又は冷却水の直接注入により反応溶液の急速加熱又は冷却を行うと、反応溶液及び回収したい反応生成物が、大量の加熱用の超臨界水等で希釈されるために、被処理流体量が必然的に大きくなり、経済的に不利となる問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１９５４３３号公報
【特許文献２】特開２００３−１１９４９７号公報
【特許文献３】特開２００３−２０１２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、例えば、純水を利用する超臨界流体反応技術とマイクロリアクタ技術が融合した化学反応装置において、純水の熱力学的臨界点以上の圧力及び温度条件下で操作するにあたり、処理対象物の希釈によらない、急速昇温及び冷却を実現した超臨界水反応装置を提供することが必要であるとの知見に基づいて、鋭意研究の結果、直接通電又は電磁誘導方式による間接加熱により所期の目的が達成し得ることを見出し本発明に至った。本発明は、装置全体のコンパクト化、及び熱損失を増大させる熱放散面積の縮小により、効率的な温度制御を実現させ、エネルギ効率を高めたマイクロスケールの高温高圧流体反応装置及び高温高圧流体製造装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、流通させる流体の急速な温度変化を、金属を媒体とした間接熱交換方式で実現することにより、流体処理量の増大を回避できる高温高圧流体反応装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、金属細管内の作動流体の加熱を、金属細管に直接通電するジュール熱加熱で行うか、又は外側に配設した電磁誘導コイルによる渦電流により行う高温高圧流体反応装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するための本発明は、予熱器、反応器、及び冷却器を配設した高温高圧流体反応装置において、金属細管で構成された予熱器、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体反応装置、である。本高温高圧流体反応装置は、（１）予熱器と反応器を、別体又は一体に構成されていること、（２）金属細管の内径が、１ｍｍ以下であること、（３）予熱器が、単一の金属細管で構成されていること、（４）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、（５）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こと、（６）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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体であること、（７）作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体であること、（８）予熱器が、作動流体を１秒以下で昇温させる機能を有すること、を好ましい態様としている。また、本発明は、上記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、である。
【０００８】
また、本発明は、作動流体を加熱して高温高圧流体とする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金属細管、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体製造装置、である。本高温高圧流体製造装置は、（１）金属細管の内径が、１ｍｍ以下であること、（２）金属細管が、単一であること、（３）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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体であること、（４）作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体であること、（５）作動流体を、１秒以下で昇温させる機能を有すること、を好ましい態様としている。
【０００９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
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。
【００１０】
本発明は、こうした結果に基づいて、マイクロ熱交換器による間接熱交換方式で高温高圧流体反応装置及びその製造装置を構築するものであり、直接通電又は電磁誘導方式により、金属細管を発熱させ、その内部の作動流体を間接熱交換により加熱して、急速に高温高圧状態となして、反応を進行させ、次いで、高速に冷却して反応を停止させる、マイクロスケールで反応を遂行することが可能な反応装置である。また、本発明は、高温高圧技術とマイクロリアクタ技術が融合した新しい反応装置であり、金属細管の内径１ｍｍ以下にすることにより、管内部における熱及び物質の拡散を短距離で終了させ、作動流体を所定温度に昇温するための昇温時間を１秒以下とすることを可能とする。また、温度の均一化及び複数種の物質の混合を効率的に行なうことができる。
【００１１】
本発明における、「作動流体」とは、高温高圧反応場を形成することができる流体であり、例えば、水、二酸化炭素、アルコール類、炭化水素類、又はこれらの２以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体である。また、本発明における、「高温高圧」とは、常温・常圧よりも高温度、及び高圧力である状態を意味し、それらの具体的な範囲は、作動流体の特性、反応基質に適した反応温度・圧力等により適宜選択されるものである。
【００１２】
本発明の反応装置を構築するにあたり必要な技術的手段と要素機器としては、例えば、（１）内径が、１．０ｍｍ以下であり、高い耐圧性を有する単一の金属細管を、直接通電もしくは電磁誘導方式により発熱させて、その内部を流通する作動流体（純水、水溶液、二酸化炭素等）を急速に加熱して化学反応を開始させる予熱器、（２）予熱器によって所定の反応温度に達した流体の温度を一定に保ち、流体内部での反応を進行させる単一の流路と、その表面からの熱の放散を防ぐための断熱機構もしくは補助的な保温用加熱機構とを備える反応器、（３）流体用フィルター、（４）急速に流体を冷却して反応を停止させるために、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に流体を均等分散させ、再度集合させる流路構造を持ち、更に、その外側に冷媒を流すことができるジャケット構造を持つ熱交換器、（５）流体の圧力を下げて常圧に戻す減圧弁、（６）各部分における温度と圧力を計測する温度センサ・圧力センサ、（７）直接通電もしくは電磁誘導方式によって金属細管内部を通過する流体を加熱する予熱器に対して、電力を供給するための、例えば、トランス等の電源装置とその制御装置、及び（８）これら構成部分の相互の結合に使用される、高温高圧に耐える金属ろう付やアーク溶接等の金属接合技術、を挙げることができる。
【００１３】
本発明の高温高圧流体反応装置により、作動流体を、加熱・反応・冷却して反応を行うには、最初、常温常圧状態の作動流体が、高圧ポンプによって所定の圧力まで昇圧され、所定の流量で予熱器に圧送される、予熱器を通過することで、作動流体は目標温度にまで急速に加熱されて化学反応が開始され、次に、流体は反応器に入り、その通過時間の間、反応温度が保たれて反応が進行し、反応器を通過した流体は、冷却を目的とした熱交換器に入り、急速に冷却されて反応を停止した後、減圧弁を通過して常温常圧状態に戻り、反応溶液が回収されることにより実施される。
【００１４】
次に、本発明の高温高圧流体反応装置を構成する、各要素について説明する。
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。
【００１５】
また、本発明の加熱手段としては、金属細管を、電磁誘導コイルの内部に置くことで誘導渦電流を発生させる誘導加熱方式が可能である。その場合は、金属細管の材料として強磁性材料を選択する必要があるが、例えば、鉄、ステンレススチール、ニッケル合金等が好適であり、ニッケル合金、特に、インコネル６２５がより好適である。
【００１６】
なお、本発明の金属細管は、内部を高圧にした場合にそれに耐える耐圧性、内部を高温にした場合にそれに耐える耐熱性、及び内部で使用する物質あるいは反応後に生成する物質に対する耐食性を備えていなければならないが、金属細管の加熱手段に応じてその材質が選択される。金属細管を耐圧にするには、例えば、金属細管の材質を強度の優れたものにするか、金属細管を耐圧性の材料で囲繞する。また、金属細管を耐熱性、耐食性にするには、例えば、金属細管の材質を耐熱性かつ耐食性のものとすることが好適であるが、積層あるいは表面処理により耐食性を付与してもよい。
【００１７】
また、本発明は、金属細管の過度の温度上昇を防ぐため、その表面温度を測定し、投入電力の制御を行う機構を備えている。発熱部分からの熱の放散を防ぐために、金属細管の外部は適当な断熱材もしくは断熱機構によって被覆される。断熱構造体は、金属細管の内部を加熱又は冷却する際にエネルギーの損失を防ぐためのものであって、様々の形態を採用することができる。断熱構造体は、金属細管の外側に、熱媒体（熱媒）を流して金属細管の内部を加熱又は保温するための、ジャケットパイプ等として機能させても良い。断熱構造体の材質は、ジャケットパイプ等として機能させる場合には、熱媒体に対し安定でなければならないものの、熱伝導率が小さい材質であればよく、耐久性からは、セラミックス、例えば、ジルコニアセラミックス、が好適である。更に、断熱構造体を高強度の材料等で覆う構造としてもよい。
【００１８】
本発明の反応器としては、所望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流路からなり、その長さは、流体流量及び目標反応時間に応じて選定されるが、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。また、流体を所定の反応温度に保つことを目的として、様々な形態の断熱構造もしくは補助的な保温用加熱機構を備えるが、反応管全体にシリカウール等の断熱材を巻くことによって簡便な断熱構造とすることができる。
【００１９】
本発明の冷却器については、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、単一金属細管、又は複数本の金属細管の集合体であり、通常、内径０．２〜１．０ｍｍ、長さ２００〜２０００ｍｍの金属製の細管からなる。金属細管は、単一の細管から構成されていて、十分な冷却能力を有する。一方、多方継手構造により流体を複数の流路に均等に分割させて急速冷却を行い、再び多方継手構造により集合させる構造を持たせてもよい。こうした流路は、例えば、冷媒が流れる冷却ジャケット内に設置されており、全体として向流型熱交換器となっている。多方継手構造を採用すると、例えば、５本の金属細管を用い、その両端を、多方継手構造に嵌入して集合している多方継手は、内部中心軸に１本の微細穴が形成されており、５本の金属細管の内部流路は、この微細穴の一端に集束して内部の流路が流通している。冷却器入口で、５本の金属流路に均等に分割された高温高圧流体は、個々の金属細管内を流れる間に、金属細管の周囲を流れる冷媒（例えば、水等）と熱交換を行って常温程度の温度まで急速に冷却される。その後出口側で再び合流して減圧弁に導かれる。
【００２０】
本発明では、作動流体を所定の圧力に加圧し予熱器に送る加圧ポンプ、圧力温度監視装置、加熱電源及びそれらの制御装置としては、通常の超臨界反応技術分野等において使用される機器類が適宜選定して使用される。
【００２１】
本発明は、間接熱交換器により、作動流体の急速加熱、及び急速冷却を実現した、高温高圧流体反応装置に関するものであり、従来の直接熱交換方式による、高温高圧流体又は冷却用流体を直接注入する方式と比較して、処理流体の量が最小となり、プロセスがシンプルでマイクロスケールの反応装置を構築することが可能になる。また、本発明の高温高圧流体反応装置は、モジュールとして、並列及び／又は直列に、複数を組み合わせることによりナンバリングアップ構成をした高温高圧流体反応装置を構築することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明のように、本発明による高温高圧流体反応装置は、（１）高い耐圧性を有する金属細管を直列的に結合させた構造を持ち、間接加熱による急速な熱交換により、流体の高速加熱・冷却を実現できるマイクロスケールの化学反応装置として、簡潔で汎用性の高い構造となっている、（２）内径の小さな金属細管を用いることにより、内部流体の単位体積あたりの表面積を大きくすることができる、（３）短時間の化学反応を行わせることができる、（４）微細な流路構造により、水の熱力学的臨界点を超えた高温高圧条件を迅速に作り、効率よく温度制御と化学反応を行わせることが可能である、（５）円形の金属細管は耐圧性能を実現するための必要最小限の構造体積と、熱の放散面積を持つ構造であることから、装置全体の立ち上げ時間を短縮することができる、（６）被加熱流体のエネルギー増加量と投入電力の比で定義されるエネルギー利用効率を極めて高くすることができる、（７）装置全体をコンパクト化できる、（８）装置の内容積が小さいので安全性について優れている、という格別の効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。以下の実施例では、水又は二酸化炭素を作動流体として高温高圧の超臨界状態を実現するための、全体を高温強度と化学的安定性に優れたニッケル合金で製作した一例を示したが、これは、必ずしも、作動流体及び材質を限定するものではなく、これらは、本装置の使用条件・使用目的等により適宜選択されることは言うまでもない。
【実施例１】
【００２４】
本実施例では、単一の金属細管及びその両端に通電電極を有する予熱器、断熱材による保温機能を持つ反応器、及び単一の金属細管の外部を冷却ジャケットで覆った冷却器、を有する超臨界水反応装置を構築した。その装置の構成の全体を図２に示す。水タンク内から、高圧ポンプにより、圧力２２．１ＭＰａ以上に加圧された水溶液（水と反応基質）を、予熱器に輸送し、予熱器内では、直接通電するジュール加熱により、水の臨界温度３７４℃以上に加熱した。こうして超臨界状態となった水溶液を、反応器内に導入して、超臨界状態を維持し、反応を進行させた。反応を終了した水溶液は、冷却器により間接熱交換され、常温付近に冷却された後、減圧バルブにより常圧に減圧して回収した。本実施例は、この他に、各部分の圧力と温度を計測するためのセンサを適宜配置し、反応装置の作動状態を適宜監視し、各種機器を制御することにより適切な反応条件を維持した。予熱器、反応器、及び冷却器については、次に詳述する。
【００２５】
（予熱器）
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。
【００２６】
（反応器）
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。
【００２７】
（冷却器）
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。
【実施例２】
【００２８】
本実施例は、加熱手段として、金属細管を電磁誘導コイル内部に置くことで誘導渦電流を発生させる誘導加熱方式を採用した以外は、実施例１と同様に反応装置を構築した。金属細管の材料としては、強磁性材料を選択する必要があり、ニッケル合金を採用した。また、金属細管の過度の温度上昇を防ぐために、その表面温度を測定し、投入電力の制御を行う機構を設置した。発熱部分からの熱の放散を防ぐために、金属細管の外部は適当な断熱材もしくは断熱機構によって被覆した。
【実施例３】
【００２９】
本実施例では、複数の流路に作動流体を均等に分割させて急速冷却を行い、再び多方継手構造により集合させる構造とした冷却器を使用した以外は、実施例１と同様にして、反応装置を構築した。この金属細管集合体は、冷媒が流れる冷却ジャケット内に設置されており、全体として向流型熱交換器となり、外径１．６ｍｍ、内径０．２５ｍｍ、長さは２１０ｍｍのニッケル合金（インコネル６２５）製の細管を５本用い、両端を、多方継手構造に嵌入して集合した。多方継手は、ニッケル合金（ＭＡ７１８）製で構成した。多方継手構造の内部中心軸には、１本の微細穴加工（内径０．５ｍｍ）が形成されており、５本の金属細管の内部流路はこの微細穴の一端に集束して内部の流路が流通している。冷却器入口で５本の金属細管に均等に分割された高温高圧流体は、個々の金属細管内を流れる間に常温付近まで冷却された。
【実施例４】
【００３０】
本実施例では、予熱器と反応器を一体化した、超臨界水反応装置を構築した。その装置全体の構成は、図３に示す。この反応装置は、上流側の予熱器部分では、高圧で輸送された水を、金属細管に直接通電するジュール熱により臨界点以上の温度に加熱し、次いで、下流部分の反応器部分では、反応温度を維持するための、直接通電による加熱を行った。こうして、予熱器及び反応器をともに加熱することにより、反応器内の反応温度及び圧力を超臨界状態に維持することが容易となった。
【実施例５】
【００３１】
本実施例では、超臨界流体製造装置を構築した。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の金属細管を使用した。この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１対の電極端子には、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、管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構造とした。高圧ポンプで圧力２２．１ＭＰａ以上に加圧された水を、本装置の細管内に誘導し、金属細管に通電するジュール熱により、金属細管内の水は、温度３７５℃以上に加熱され、本装置内で、超臨界水に変換され、器外の反応装置に供給された。また、高圧ポンプで圧力７．４ＭＰａ以上に加圧された液化二酸化炭素を、本装置の細管内に誘導し、金属細管に通電するジュール熱により、金属細管内の液化二酸化炭素は、温度３１℃以上に加熱され、本装置内で、超臨界二酸化炭素に変換され、器外の反応装置に供給された。
【実施例６】
【００３２】
本実施例では、本発明に係る高温高圧流体反応装置をモジュールとし、それを並列に組に合わせるために縦に積み重ねて、ナンバリングアップした高温高圧マイクロ反応装置とした。具体的には、実施例１の反応装置を５個、水平にして縦方向に積み重ねて、両端部において金属細管を集合させて、上流側は高圧ポンプに、下流側は単一の減圧弁に接続した。こうすることにより、単一モジュールシステムで、３ｋｇ／ｈの処理量としていた場合、５モジュールの並列化処理により、１５ｋｇ／ｈの処理量とすることができた。また、本発明の高温高圧流体反応装置を横に組み合わせることにより、同様のナンバリングアップ構成が可能であった。
【実施例７】
【００３３】
実施例３における装置構成において、実際に、水の熱力学的臨界点を超える圧力温度条件を設定して実施した装置試験の結果について述べる。作動流体を純水とし、予熱器によって圧力４０ＭＰａ、室温近傍の純水を４００℃まで加熱し、更に冷却器によって常温まで冷却する。高圧ポンプによって圧送される純水の流量を変化させて、装置各部の圧力と温度と消費電力を記録することにより、装置の加熱冷却能力を評価した。表１にその試験結果の例を示す。試験結果は、予熱器に投入される電力のおよそ７５％から９４％が、内部を通過する流体のエネルギーに効率的に転換されていることを表している。この流体のエネルギー増加分を投入電力で除して求められるエネルギー利用効率はきわめて高く、本装置の省エネルギー性が非常に高いことが示された。表２は、伝熱能力の高低を示す指標である、総括伝熱係数、予熱器の通過時間、流体の昇温速度を概算した結果であり、極めて高い伝熱能力によって０．１秒以下の極めて高速な流体加熱を実現できていることが明らかになった。  同様にして、表３に、冷却器の性能を概算した結果を示す。予熱器と同様に高い伝熱能力と大きな冷却速度が得られ、通過する高温高圧水が、０．５秒以内で常温まで冷却されていることが明らかになった。これらの結果から分かるように、本発明による高温高圧流体反応装置が、装置として望ましい１秒以下の短時間加熱・冷却過程と、並びに、高速な制御を実現していることは明らかである。更に、エネルギー利用効率が高いことから、省エネルギー性の高い高温高圧流体製造装置としての能力を持つことが示された。
【００３４】
【表１】
2006159165.tif 000003
【００３５】
【表２】
2006159165.tif 000004
【００３６】
【表３】
2006159165.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上述べたように、本発明は、例えば、水、二酸化炭素、アルコール等の熱力学的臨界点を超える高温高圧条件での化学反応を行わせることができる、高温高圧流体反応装置に係るものであり、例えば、直径１．０ｍｍ以下の内径を持ち、耐圧性を有する金属細管を、直線的もしくはその一部において並列的に接合して、簡素な構成を持つ汎用性の高い高温高圧流体反応装置に係るものである。本発明の超臨界流体反応装置は、内部を流通させる作動流体を水もしくは水溶液に限定するものでなく、その他の流体を用いた高温高圧反応装置として広く利用することが可能である。また、超臨界流体反応による高温高圧条件下での化学プロセス技術、エネルギー化技術及び廃棄物分解技術等の分野で利用することができ、化学プラントへの適用が可能である。また、本発明の高温高圧流体反応装置の予熱器は、高温高圧の流体製造装置として各種の試験研究等に供することができる。また、本発明の高圧流体反応装置をモジュールとして、並列及び／又は直列に組み合わせることにより、処理量及び／又は機能を増大させた高温高圧マイクロリアクター装置を構成することが可能であるため、超臨界反応装置以外に、汎用の高温高圧マイクロリアクター装置として利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】予熱器の通電加熱部分流路内を通過する高圧水の高速昇温過程の推算結果を示す。
【図２】本発明による、予熱器、反応器、熱交換器（冷却器）から構成される高温高圧流体反応装置を示す。
【図３】本発明による予熱器と反応器を一体化して構成される高温高圧流体反応装置を示す。
【図１】
2006159165.tif 000006
【図２】
2006159165.tif 000007
【図３】
2006159165.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月15日(2004.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予熱器、反応器、及び冷却器を配設した高温高圧流体反応装置において、金属細管で構成された予熱器、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体反応装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
金属細管の内径が、１ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項４】
予熱器が、単一の金属細管で構成されている請求項１から３のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項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請求項１から４のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項６】
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５に記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項７】
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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体である請求項１から６のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項８】
作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体である請求項７に記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項９】
予熱器が、作動流体を１秒以下で昇温させる機能を有する請求項１から８のいずれかに記載の高温高圧流体反応装置。
【請求項１０】
請求項１から９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。
【請求項１１】
作動流体を加熱して高温高圧流体とする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金属細管、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体製造装置。
【請求項１２】
金属細管の内径が、１ｍｍ以下である請求項１１に記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１３】
金属細管が、単一の金属細管である請求項１１又は１２のいずれかに記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１４】
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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体である請求項１１から１３のいずれかに記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１５】
作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体である請求項１４に記載の高温高圧流体製造装置。
【請求項１６】
高温高圧流体製造装置が、作動流体を１秒以下で昇温させる機能を有する請求項１１から１５に記載の高温高圧流体製造装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、本発明は、作動流体を加熱して高温高圧流体とする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金属細管、及び該金属細管内の作動流体を、直接通電又は電磁誘導方式により間接加熱する手段、を有することを特徴とする高温高圧流体製造装置、である。本高温高圧流体製造装置は、（１）金属細管の内径が、１ｍｍ以下であること、（２）金属細管が、単一の金属細管であること、（３）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以上からなる混合流体、もしくはこれらに反応基質を加えた混合流体であること、（４）作動流体が、亜臨界ないし超臨界状態の流体であること、（５）作動流体を、１秒以下で昇温させる機能を有すること、を好ましい態様としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
実施例３における装置構成において、実際に、水の熱力学的臨界点を超える圧力温度条件を設定して実施した装置試験の結果について述べる。作動流体を純水とし、予熱器によって圧力４０ＭＰａ、室温近傍の純水を４００℃まで加熱し、更に冷却器によって常温まで冷却する。高圧ポンプによって圧送される純水の流量を変化させて、装置各部の圧力と温度と消費電力を記録することにより、装置の加熱冷却能力を評価した。表１にその試験結果の例を示す。試験結果は、予熱器に投入される電力のおよそ７５％から９４％が、内部を通過する流体のエネルギーに効率的に転換されていることを表している。この流体のエネルギー増加分を投入電力で除して求められるエネルギー利用効率はきわめて高く、本装置の省エネルギー性が非常に高いことが示された。表２は、伝熱能力の高低を示す指標である、総括伝熱係数、予熱器の通過時間、流体の昇温速度を概算した結果であり、極めて高い伝熱能力によって０．１秒以下の極めて高速な流体加熱を実現できていることが明らかになった。同様にして、表３に、冷却器の性能を概算した結果を示す。予熱器と同様に高い伝熱能力と大きな冷却速度が得られ、通過する高温高圧水が、０．５秒以内で常温まで冷却されていることが明らかになった。これらの結果から分かるように、本発明による高温高圧流体反応装置が、装置として望ましい１秒以下の短時間加熱・冷却過程と、並びに、高速な制御を実現していることは明らかである。更に、エネルギー利用効率が高いことから、省エネルギー性の高い高温高圧流体製造装置としての能力を持つことが示された。