(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得る手段、超臨界水又は亜臨界水を被反応物質に接触させて化学反応を行なわせる手段、及び化学反応によって生じる生成物を含む水を膨張させて減圧させる手段が、シリンダとこのシリンダに設けられたピストンとからなり、
このピストンを動作させることにより、水蒸気を圧縮し、化学反応の終了後にピストンを逆方向に動作させて温度と圧力を下げ、得られた生成物を含む水をシリンダから取り出して新たな蒸気をシリンダに吹き込むことにより周期的に作動させるように構成し、
前記シリンダへの新たな蒸気の吹き込みを飽和蒸気のみとし、ピストンによる圧縮開始時もしくは圧縮途中もしくは圧縮終了後に、飽和液もしくは冷水を被反応物質と共にシリンダに注入するようにしたことを特徴とする超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項２】
ピストンを動作させることにより水蒸気をシリンダ内の片側でのみ圧縮するようにした請求項１に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項３】
シリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積を、ピストンの両側に設けた請求項１に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項４】
ピストンの両側に圧縮膨張機を設け、それぞれに原料噴射装置を設けた請求項３に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項５】
ピストンの両側に設けたシリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積の一方で湿り蒸気を圧縮し、他方の容積は高圧に保つようにした請求項３または４に記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項６】
化学反応により得られた生成物を含む水をサイクロン又は遠心分離機により飽和水と飽和蒸気とに分離する手段を設けた請求項１〜５のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項７】
被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料であり、生成物がバイオマスを分解して得られる糖である請求項１〜５のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項８】
被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤまたは石炭の炭素含有物質から選択されるいずれかの物質であり、生成物が前記選択物質を分解して得られる一酸化炭素、二酸化炭素、水素及びメタンガスを含む合成ガスである請求項１〜５のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項９】
被反応物質が高分子ポリマーであり、生成物が高分子ポリマー材の原料物質である請求項１〜５のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項１０】
被反応物質が塩素含有物質であり、被反応物質を分解して無害化する請求項１〜５のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項１１】
被反応物質が低級アルコールと油脂であり、これらを超臨界水又は亜臨界水により脂肪酸エステルに変換するようにした請求項１〜５のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【請求項１２】
被反応物質を高圧の飽和水に浸した状態で急に除圧する爆砕装置を設け、この爆砕装置で被反応物質を微細化するようにした請求項１〜１１のいずれか一つに記載された超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置に関するものである。具体的には、バイオマスなどの有機物質を超臨界水又は亜臨界水により分解又は反応処理するための反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バイオマスなどの有機物質等に対する物理化学的な分解反応方法として、既知の薬品酸化法、光酸化法、燃焼法に代えて、特公平１−３８５３２号公報等に開示されているように、超臨界水による分解方法が提案されている。
【０００３】
この超臨界水による有機物質等の分解方法は、水の臨界条件、即ち、水の臨界温度３７４℃、臨界圧力２２０気圧を超えた条件下の超臨界水は、その極性が温度と圧力で制御可能となって、パラフィン系炭化水素やベンゼン等の非極性物質も溶解することができること。また、酸素等のガスとも任意の割合で混合するという有機物酸化分解用の反応溶媒として極めて優れた性能を示すこと。さらには、分解対象物の炭素含有率が数％であれば、酸化熱だけで臨界温度以上にまで昇温可能であるため、熱エネルギー的にも非常に優れていること。また、超臨界水で、加水分解反応や熱分解反応によりほとんどの難分解性有機物や有毒有機物等をほぼ完全に分解できること、など優れた利点がある。
【０００４】
この超臨界水による分解方法は、次のフローによって実施される。即ち、被反応物質を含む流体、酸素等の酸化剤流体、超臨界水の三流体を予め混合状態あるいは一部混合状態で、超臨界水酸化の反応を行なう反応容器に供給し、水の超臨界条件下で分解対象物を酸化分解し、対象分解物を酸化過程で分解するものである。さらに反応を進めることによって、一酸化炭素や水素にまで処理することも可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の超臨界水による有機物質等の反応装置を効率的に実施できる、高温、高圧の水の超臨界状態を扱うための工業的な反応装置はまだ存在していないのが現状である。
【０００６】
超臨界水による有機物質等の反応装置では、例えば、被反応物質が木粉等の有機物質である場合、有機物質を分散させた高圧水を急加熱して一定時間超臨界又は亜臨界状態を保つことにより、超臨界又は亜臨界状態での化学反応により、木粉を糖への糖化反応を行なわせることができる。その糖化反応が終った後、高温の超臨界水又は亜臨界水を急冷して反応を止めることが必要である。この糖化反応については、バッチ型及び流動型のいずれの装置でも行なうことができる。これを流動型で行なう場合、高温の超臨界水状態を実現するには、木粉を分散させた低温の超臨界圧水に高温の水を混合して反応を行なわせ、さらに、この反応の停止には、冷水を注入する過程による装置を提案するものである。
【０００７】
しかし、上記した各過程を実行するためには、なおも、次のような諸点が問題となる。即ち、次のとおりである。
【０００８】
(1) 木粉を高圧水に一様に分散させた状態で分布させるのが困難であること。
【０００９】
(2) 木粉を含む高圧水を反応部に注入する際、噴射ノズル等の注入部に目詰まりを起し易いこと。
【００１０】
(3) この場合、目詰まりを避けるために、木粉の濃度を高くすることができないこと。
【００１１】
(4) 反応時間が短いため、冷水を混合して反応を止めなければならないこと。
なお、反応時間が長くなると、炭化して炭素が生じてしまうことになる。
【００１２】
(5) 冷水により反応停止させるために、使用水量が多くなる。このため、反応後の糖を濃縮するプロセスが大掛かりとなること。
【００１３】
(6) 微細木粉を取り扱うプロセスが別途必要となること。
【００１４】
(7) 冷水による冷却過程によることから、エネルギー消費量が大きいこと。
【００１５】
そこで、本発明は、有機物質等を均一に分布した状態で、木粉の目詰まりをきたすことなく、しかも、高いエネルギー効率でかつ工業的に作動させることが可能な超臨界水又は亜臨界水による有機物質等の反応装置を提供することを目的とした。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得る手段、超臨界水又は亜臨界水を被反応物質に接触させて化学反応を行なわせる手段、及び化学反応によって生じる生成物を含む水を膨張させて減圧させる手段が、シリンダとこのシリンダに設けられたピストンとからなり、このピストンを動作させることにより、水蒸気を圧縮し、化学反応の終了後にピストンを逆方向に動作させて温度と圧力を下げ、得られた生成物を含む水をシリンダから取り出して新たな蒸気をシリンダに吹き込むことにより周期的に作動させるように構成し、前記シリンダへの新たな蒸気の吹き込みを飽和蒸気のみとし、ピストンによる圧縮開始時もしくは圧縮途中もしくは圧縮終了後に、飽和液もしくは冷水を被反応物質と共にシリンダに注入するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
また、ピストンを動作させることにより水蒸気をシリンダ内の片側でのみ圧縮するようにした構成とすることができる。
【００２０】
また、シリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積を、ピストンの両側に設けた構成とすることができる。
【００２１】
また、ピストンの両側に圧縮膨張機を設け、それぞれにインジェクター（原料噴射装置）を設けた構成とすることができる。
【００２２】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、ピストンの両側に設けたシリンダとピストンとで形成される蒸気圧縮を行なう容積の一方で湿り蒸気を圧縮し、他方の容積は高圧に保つようにした構成を含む。
【００２５】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、化学反応により得られた生成物を含む水をサイクロン又は遠心分離機により飽和水と飽和蒸気とに分離する手段を設けた構成を含む。
【００２６】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置では、被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料であり、生成物がバイオマスを分解して得られる糖である構成、被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤまたは石炭の炭素含有物質から選択されるいずれかの物質であり、生成物が前記選択物質を分解して得られる一酸化炭素、二酸化炭素、水素及びメタンガスを含む合成ガスである構成、被反応物質がＰＥＴボトル等の高分子ポリマーであり、生成物が高分子ポリマー材の原料物質である構成、被反応物質がＰＣＢ、フロン、ＤＸＮ（ダイオキシン）等の塩素含有物質であり、被反応物質を分解して無害化する構成、被反応物質がメタノール等の低級アルコールと廃食用油等の油脂であり、これらを超臨界水又は亜臨界水により脂肪酸エステルに変換するようにした構成などとすることができる。
【００２７】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置には、被反応物質を高圧の飽和水に浸した状態で急に除圧する爆砕装置を設け、この爆砕装置で被反応物質を微細化するようにした構成を含む。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。実施の形態に係る超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置１０は、図１に示すように、水蒸気を得るボイラ１１と、水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得る手段、この超臨界水又は亜臨界水を有機物等の被反応物質に接触させて化学反応を行なわせる手段及びこの化学反応によって生じる生成物を含む水を膨張させて減圧させる手段としてのレシプロ型の圧縮膨張機１２とを基本構成部とするものである。
【００２９】
水蒸気はボイラ１１で得られる。ボイラ１１には、燃料Ｃが供給ポンプ２７から供給されると同時に、空気Ｄがブロア２８によって供給される。
【００３０】
この水蒸気は圧縮膨張機１２に導入される。圧縮膨張機１２では、この水蒸気を圧縮することができる。即ち、反応機１２は、シリンダ１２ａとこのシリンダ１２ａに設けられたピストン１２ｂとからなる高圧圧縮膨張機である。ピストン１２ｂの両側には容積１２Ａと１２Ｂとが設けられている。ピストン１２ｂをクランク機構１３により作動させて、水蒸気を容積１２Ａで圧縮して超臨界水又は亜臨界水をつくり出すことができる。そして被反応物質としての木粉と接触させて、木粉に化学反応を生じさせることができる。
【００３１】
この木粉は、木材チップＡを爆砕器１５で爆砕して木粉を微細化できる。この木粉をロータリーフィーダ１４に導入すると同時に、水Ｂがポンプ１６によって加圧状態でロータリーフィーダ１４に送り込まれる。ロータリーフィーダ１４で木粉を水中に拡散しながらインジェクタ１４ａによって、木粉が噴射する状態で圧縮膨張機１２内に供給される。この場合の木粉の化学反応については、ピストン１２ｂの上死点前後で行なわせることができる。木粉については、細かいほど化学反応し易くまた噴射ノズルの目詰まりを回避することができるから好ましい。従って、木粉を爆砕により微細化し、さらに、それをスラリー化できれば、なお好都合である。
【００３２】
この木粉の化学反応が終了した後は、ピストン１２ｂの作動により、シリンダ１２ａ内で蒸気を膨張させて再び湿り蒸気に戻すと共に、その際の温度低下によってその反応を停止させることができる。
【００３３】
このような反応過程では、高温水や冷却水は不要であり、また、ピストン１２ｂの速度を変えることにより、木粉の反応時間が変化するので、その制御は容易である。また、シリンダ１２ａとピストン１２ｂの反応機１２では、圧縮時に大きな仕事を要するが、膨張時にその仕事は取り出されて打ち消すように動作する。この場合、混合や熱移動の際にエネルギー損失を伴う過程を基本としていないので、必要な正味の仕事は化学反応時の消費エネルギー、ピストン１２ｂの摩擦エネルギー、その他ポンプ等の軽微なものだけである。従って、高いエネルギー効率で作動させることができる。
【００３４】
ピストン１２ｂが下がることよって適当な時期にポート１２ｃを開き、湿り蒸気と共に反応生成物を追い出すように作動させる。このような動作は、二サイクル式又は四サイクル式で作動させることができるが、掃気が若干不完全でもかまわないので、ユニフロー型二サイクル式のものを使用することができる。即ち、膨張終了時にピストン１２ｂによりポート１２ｅが開くようにして、新しい蒸気を送入し、使用済みの蒸気を反対側の弁１２ｃから排出すればよい。
【００３５】
シリンダ１２Ａへの新たな蒸気の吹き込みを飽和蒸気のみとし、ピストン１２ｂによる圧縮開始時もしくは圧縮途中もしくは圧縮終了後に、飽和液もしくは冷水を木粉と共に圧縮膨張機１２に注入するようにすることができる。この際の飽和蒸気は、ボイラ１１で得られたものをシリンダ１２ａ内へ供給することができる。
【００３６】
シリンダ１２ａとピストン１２ｂからなる高圧圧縮膨張機への飽和蒸気の供給と同時にあるいは圧縮過程中にボイラ１１からの液体分、即ち、冷水をシリンダ１２ａ内に噴射し、シリンダ１２ａ内の蒸気の乾き度を調整することができる。この水蒸気の乾き度が低過ぎると、噴射する冷却水量が少なくなり過ぎるからである。
【００３７】
この冷水噴射時の噴流に一定量の微細木粉を均一に分散させた状態でシリンダ１２ａ内に注入することができる。この噴射では、高速で冷水が噴射されるため、微細木粉を分散させることができると共に、木粉を飽和液で吹き飛ばすことができるので、噴射用ノズルに目詰まりが生じるのを回避し易い。また、噴射に冷水を使用するのは、必要な湿り度を得ると共に、木粉を低温（１５０℃以下であることが好ましい。）に保つことにより、シリンダ１２ａ内での熱分解を防ぐためである。
【００３８】
本発明には、さらに、化学反応により得られた生成物を含む水をサイクロン２３（又は遠心分離機）により飽和水と飽和蒸気とに分離する手段を設けた構成を含む。
【００３９】
即ち、シリンダ１２ａから排出された低圧湿り蒸気をサイクロン２３に吹き込み、化学反応により得られた生成物を含む水を飽和水と飽和蒸気とに分離するものである。この際、サイクロン２３で分離された低圧飽和蒸気は、加熱蒸気の一部を流量調整弁（計）３１を設けて別に設けた動力発生機１７に導いて、このエネルギーをシリンダ１２ａとピストン１２ｂの高圧圧縮膨張機の動力として利用することができる。１６は動力発生機１７のクランク機構であり、２１ａ〜２１ｄは熱交換器である。これにより、装置１０全体のエネルギー効率を高めることができる。また、動力発生器１７で使用した蒸気については、凝縮器１８で凝縮して、これをフィルター１９を介してボイラ１１の給水用として戻すことができる。
【００４０】
サイクロン２３からの反応生成物は濃縮後に気液分離器２６に導入され、飽和蒸気と飽和水とに分離される。ここで、飽和蒸気と飽和水とを分離するのは、反応生成物は蒸気とはならず、液の方にだけ含まれると予想されるからである。従って、反応生成物の濃縮は、その液の加熱水蒸気をさらに分離するだけでよい。これにより、得られた反応生成物の濃縮操作を簡単化することができる。また、反応生成物は飽和蒸気中には含まれないので、それをポンプ２０によりボイラ１１に戻すかあるいは動力回収機１７に送り込んで前記同様に動力源に利用することができる。
【００４１】
図２に示されるターボ型圧縮膨張機は、ボイラ１１から得られた水蒸気をターボ圧縮機の一種である遠心圧縮機３４に導入する。遠心圧縮機３４では、この水蒸気を圧縮して超臨界状態又は亜臨界状態をつくり出すことができる。そして、得た超臨界水又は亜臨界水を高圧反応機３３に送り込んで被反応物質としての木粉を化学反応させることができる。
【００４２】
木粉原料Ａを木粉スラリータンク３１に導入し、水と混合した上で、フィードポンプ３２により連続的に高圧反応機３３へ供給する。
【００４３】
この木粉の化学反応は、超臨界水又は亜臨界水を高圧反応機３３からラジアルタービン３５へ導入することにより膨張させて湿り蒸気に戻すと共に、その際の温度低下によってその反応を停止させることができる。３６はラジアルタービン３５を駆動するモーターである。
【００４４】
このような反応過程では、高温水や冷却水は不要であり、また、ラジアルタービン３５の回転速度を変えることにより、木粉の反応時間が変化するので、その制御は容易である。また、遠心分離機３４では、大きな仕事を要するが、同一軸上に配置したラジアルタービン３５での膨張にその仕事は取り出されて打ち消すように作動する。タービン３５を出た蒸気はサイクロン２３で気液分離し、飽和蒸気はボイラー１１に戻されるが、その一部はラジアルタービン３７に導いて動力を発生させて発電機３８から電力を得て、これを遠心圧縮機３４の駆動の補助に使用する。
【００４５】
また、容易に高温高圧を得るためには、図３に示されるように、遠心圧縮機３４及びラジアルタービン３５を二段あるいは複数段設置することができる。この場合には、二段の遠心分離機３８の間に混合器３７を設置し、フィードポンプ４１により冷水を供給して加熱蒸気の湿り度の調整を行う。
【００４６】
図４に示すように、本発明の反応装置では、ピストン１２ｂの両側に容積を設け、蒸気を一方の容積を経由した上で、もう一方の容積に導入し、その一方のみで蒸気圧縮を行う構成を含む。このような構成にすると、両側の容積での圧力差を低減できるので、１３の軸受け負荷を軽減させることが可能となる。
【００４７】
図５に示す本発明の反応装置では、シリンダ１２ａとピストン１２ｂとで形成される蒸気圧縮を行う容積を、ピストン１２ｂの両側に設けた構成を含む。このような復動式の構成にすると、単位時間当りの化学反応量を高めることができる。
【００４８】
２９は排気後処理装置であり、上記した化学反応によって生じた排気やボイラ１１で生じた排気を煙突３０から大気中へ放出する。
【００４９】
本発明の反応装置における被反応物質としては、木材の他、都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤ、石炭等の炭素含有物質、メタノール等の低分子アルコールと油脂、さらにはＰＥＴボトル等の高分子ポリマー、ＰＣＢ、フロン、ＤＸＮ（ダイオキシン）等の塩素含有物質など各種の有機系物質を対象とすることができる。
【００５０】
被反応物質が都市ゴミを含むバイオマス資源である場合、バイオマスを超臨界水又は亜臨界水により加水分解して糖を生成物質として得ることができる。
【００５１】
また、被反応物が都市ゴミを含むバイオマス原料、廃タイヤ、石炭等の炭素含有物質から選択されるいずれかの物質である場合には、その選択物質を超臨界水又は亜臨界水により分解して一酸化炭素、二酸化炭素、水素及びメタンガスを含む合成ガスを得ることができる。この際、超臨界水を非常に高温にすると、熱分解が迅速に行なわれ、上記成分の合成ガスが生成して、超臨界状態の水に溶解する。これを低温に戻せば、合成ガスとなって可燃性ガスとなり、メタノールの原料とすることもできる。
【００５２】
被反応物質がメタノール等の低級アルコールと廃食用油等の油脂である場合には、これらを超臨界水又は亜臨界水によりエステル交換反応を行い、エステル化合物を得ることができる。
【００５３】
被反応物質がＰＥＴボトル等の高分子ポリマー材である場合には、有用な化学原料へと分解し回収することもできる。
【００５４】
被反応物がＰＣＢ、フロン、ＤＸＮ（ダイオキシン）等の塩素含有物質である場合、塩素含有物質を無害化できるまで分解することもできる。この場合、酸素などの酸化材を添加させて分解させる場合もある。
【００５５】
【実施例】
次に、本発明に係る超臨界水による被反応物質の反応装置１０の実施例を説明する。
【００５６】
圧縮膨張機１２において水蒸気を圧縮して超臨界水を得て、被反応物質の超臨界水反応を行わせる場合、圧縮終了時の圧力は臨界圧力の２２．１ＭＰａ以上であり、かつ温度が臨界温度の３７４℃以上でなければならない。被反応物質が木粉であって、それを加水分解して糖を得る場合は、圧縮終了時の圧力が高いほど木粉の炭化を抑制することができ、また、その温度が高いほど反応速度が高いことが知られている。
【００５７】
そこで、これらのことを勘案して、水蒸気の圧縮によって到達する圧力及び温度として、それぞれ２５ＭＰａ及び４１０℃を選んだ。ここで、木粉の量は水に比べて少ないときの極限を考えて、その影響は無視できるとし、かつ圧縮中は水蒸気とシリンダとの熱交換はなく等エントロピー変化によって上記の目標点に到達すると仮定して、圧縮開始の湿り蒸気の状態を求めた。水及び蒸気の熱力学データは、日本機械学会蒸気表（１９８０）を参照した。
【００５８】
先ず、目標点の比エントロピーｓを求め、仮定した圧縮前の圧力について飽和水の比エントロピーｓ’及び飽和蒸気の比エントロピーｓ”との差（ｓ”−ｓ’）から目標の比エントロピーｓに等しくなるような乾き度ｘを求めることができる。表１は、目標点の状態と圧縮前の湿り蒸気の圧力３ＭＰａの場合について計算した結果を示す。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
これからわかるように、３ＭＰａの湿り蒸気は飽和温度が２３４℃であり、目標点と等しい比エントロピーを得るには、乾き度ｘが０．７５２である。乾き度ｘが求まると、飽和水の比容積ｖ'及び飽和蒸気の比容積ｖ"の差（ｖ"−ｖ'）から湿り蒸気の比容積ｖ及び密度１／ｖが求められ、さらに圧縮前の比容積ｖと目標点の比容積ｖ0 の比と定義する圧縮比εが求められる。
【００６１】
この表からわかるように、圧縮比εは７．３であり、圧縮前のシリンダ内容積を７．３分の１まで圧縮すれば、目標とする超臨界水の状態に到達できる。もしも、反応の影響が無視できるほど小さく、かつ等エントロピー変化と仮定できるならば、目標点に達したのちはクランク機構によって膨張が進み、シリンダ内の容積が最大となり、膨張後は圧縮前と同じ状態に戻る。なお、圧縮前の水蒸気の圧力３ＭＰａでは、木粉原料の反応を容易にするための爆砕を行うための飽和水としても使用できる。また、圧縮前の圧力が３ＭＰａを大幅に超えると、飽和温度が高いため反応を完全に停止できなくなる可能性がある。
【００６２】
次に、圧縮開始前にシリンダ内には飽和蒸気のみを送入し、被反応物質である木粉を冷水と共に噴射して、シリンダ内で良好な分布を図ると同時に、圧縮中に無用な反応の進行を抑制することについて、上記と同条件で必要な冷水の量を求めた。圧縮終わりで均一な混合がなされて湿り蒸気の場合と同じ目標点の超臨界水状態に到達するには、圧縮前の比エンタルピーが湿り蒸気の場合と同じ値となるようにすればよい。冷水の比エンタルピーをｈw ’、圧縮前の湿り蒸気の比エンタルピーをｈs ’、そのときの飽和蒸気の比エンタルピーをｈs ”、水及び水蒸気の全質量に占める冷水の質量をｙとすれば、そのことから次の関係を導くことができる。
【００６３】
ｙ＝（ｈs ”−ｈs ’）／（ｈs ”−ｈw ’）
冷水の温度を５０℃とし、圧縮前の蒸気圧力を３ＭＰａとして、前記した日本機械学会蒸気表から必要な値を求めると、ｙ＝０．１８３である。即ち、注入すべき冷水の量は、全水量の１８％でよく、残りは飽和蒸気の状態でシリンダに注入すればよい。
【００６４】
実際の場合には、被反応物質の量、反応、水蒸気と壁面との熱交換など種々の影響を受けるので、上記の理想的な状態変化からずれるが、そのずれはさほど大きいものではなく、例え違いがあっても適切に設定条件に補正を加えればよい。
【００６５】
次に、反応装置１０に関するエネルギーの収支を、従来の反応装置である流動型超臨界水反応装置と比較して説明する。従来の反応装置である流動型超臨界水反応装置とは、図６に示すように、原料木粉が高分散された冷水Ａを、目標温度（例、４１０℃）より高い超臨界水Ｗb と混合することにより、目標の超臨界水状態とし、超臨界水を冷却水Ｗc で急冷することにより、木粉の反応を停止させるものである。
【００６６】
以下に、目標点として選んだ、２５ＭＰａ及び４１０℃における、流動型超臨界水反応装置のエネルギー収支を計算した。１５０℃の被エンタルピーｈ150 はｈ150 ＝６４７．７ｋＪ／ｋｇ、４１０℃ではｈ410 ＝２６９１ｋＪ／ｋｇ、そして、５５０℃ではｈ550 ＝３３３７ｋＪ／ｋｇである。計算は、仮に、１５０℃の冷却水が流通しているところに、冷水の約３．１６５倍量（１５０冷水１ｋｇについて混入する５５０℃の超臨界水量をａｋｇとし、比エンタルピーの計算式ｈ410 （１＋ａ）＝ｈ150 ＋ｈ550 ａより換算）の５５０℃超臨界水が流入混合することにより、目標点の超臨界状態に到達し、その後冷水により超臨界水が１５０℃に冷却され反応が停止すると設定して行った。以上のように冷水添加により反応を停止させることから、冷水の３．１５倍量の５５０℃超臨界水；ｈ550 ×３．１６５＝１０５６０ｋＪ／ｋｇのエネルギーを捨てなければならない。但し、一部は、常温の冷水を１５０℃まで加熱するのに使うことができる。従って、図７に示すように、流動型超臨界反応装置では、１０５６０ｋＪ／ｋｇからｈ150 ；６４８ｋＪ／ｋｇ分を差し引いたβ1 ９９１０ｋＪ／ｋｇがエネルギー損失分となる。
【００６７】
一方、目標点として選んだ２５ＭＰａ及び４１０℃における、本発明の反応装置１０のエネルギー収支計算は、常温の冷水を３ＭＰａ、２３４℃に加熱し、その湿り蒸気を、反応膨張機による圧縮により目標点（２５ＭＰａ、４１０℃）に到達させ、その後膨張により超臨界水が冷却され、再度２３４℃になるとして設定して行った。３ＭＰａ、２３４℃、乾き度０．７５２の湿り蒸気の比エンタルピーは、２３５７ｋＪ／ｋｇ、４１０℃ではｈ410 ＝２６９１ｋＪ／ｋｇである。図８より、湿り蒸気の比エンタルピー（２６９１ｋＪ／ｋｇ）のうちほとんどがエネルギー回収され、化学反応に伴う不可逆変化、つまり、シリンダ内液体とシリンダ壁面との間の熱交換、ピストン及びクランク機構などの摩擦等の軽微な部分だけが僅かにエネルギー不可逆損失分となる。また、圧縮膨張機の圧縮仕事は、比内部エネルギーｕに、ｕ＝ｈ−ｐｖ（ｈ：比エンタルピー、ｐ：圧力、ｖ：比容積）の関係より、３１３ｋＪ／ｋｇである（水及び蒸気の熱力学データは、日本機械学会蒸気表（１９８０）を参照した。）。膨張によって圧縮仕事のほとんどは回収されるが、反応、熱損失、摩擦などが不可逆損失分として生じ、その損失分は動力発生機により補われる。その機械的な不可逆損失分は、圧縮膨張機と動力発生機の仕事損失合計が２８％であるとすれば、約１２２ｋＪ／ｋｇである。その損失分は動力発生機により補われることから、動力発生機の理論熱効率を３３％とすると、動力発生機で約３７０ｋＪ／ｋｇの熱が必要となる。従って、圧縮膨張機及び動力発生器におけるエネルギー損失分β’は、３７０ｋＪ／ｋｇであり、流動型反応装置の９９１０ｋＪ／ｋｇの２７分の１に過ぎない。また、本反応装置１０は、爆砕機を負荷したものであるが、爆砕機に関するエネルギーは、反応装置１０も流動型反応装置でも変わりないため、エネルギー収支の計算からは省いている。
【００６８】
以上のように、反応装置１０は、従来の流動型反応装置と比較して、エネルギー損失が非常に少なく、必要エネルギーが極めて少ない。
【００６９】
【発明の効果】
上記したように本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は構成されるから、次のような効果が発揮される。
【００７０】
本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置は、これまで難しかった超臨界水又は亜臨界水中で生じる非常に高速な反応の反応時間、温度等を制御することが可能となった。
【００７１】
この超臨界状態及び亜臨界状態での反応により、被反応物質である木材原料等を糖に変換し、さらにエタノール変換装置に給する。
あるいは木材原料等を一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水素等の分子にまで分解して、メタノール合成装置に供給することが可能となった。
【００７２】
これらの手段が、水蒸気を圧縮することにより生じた超臨界状態又は亜臨界状態により化学反応を起こさせ、その超臨界水又は亜臨界水を膨張させることにより温度と圧力を下げ反応を停止させることにより、超臨界状態又は亜臨界状態での反応のエネルギー効率が極めて高い装置を提供することが可能となった。
【００７３】
また、シリンダとピストンとで蒸気圧縮を行う容積をピストンの両側で行う構成にした復動型とする場合には、反応の生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図２】超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図３】超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図４】本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図５】本発明の超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置のフロー図である。
【図６】比較例としての流動型超臨界水又は亜臨界水反応装置における行程を説明する図である。
【図７】比較例としての流動型超臨界水又は亜臨界水反応装置における過程の比エンタルピーを示す図である。
【図８】本発明に係る超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置における過程の比エンタルピーを示す図である。
【符号の説明】
１０ 超臨界水又は亜臨界水による被反応物質の反応装置
１１ ボイラ
１２ 圧縮膨張機
１２ａ シリンダ
１２ｂ ピストン
１２ｃ 弁
１２ｄ 孔
１２ｅ ポート
１２ｆ 孔
１２Ａ 圧縮膨張空隙
１２Ｂ １２Ａの反対空隙
１３ クランク機構
１４ ロータリーフィーダ
１５ 爆砕器
１６ クランク機構
１７ 動力発生機
１８ 凝縮器
２１ａ〜２１ｄ 熱交換器
２３ サイクロン
２６ 気液分離器
３１ 流量調整弁
３２ ガス分離清浄器
Ａ 原料
Ｂ 浄水
Ｃ 燃料
Ｄ 空気
Ｅ 給水
Ｆ 生成物
Ｇ ドレン蒸気
Ｈ 冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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