(57)【要約】【課題】制御不調や反応条件の変化等により反応容器の内外圧力差に急激かつ過大な変化が生じた場合に、反応容器にダメージを与えることなく圧力バランス型反応装置の所定の構成を維持できるようにした構造と運転方法を提供する。【解決手段】耐圧容器内に反応容器を設けた二重容器構造を有し、反応容器内の第１の圧力と耐圧容器と反応容器の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置であって、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器の内部側と耐圧容器と反応容器の間側とを連通させる連通路を設けるとともに、該連通路に、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに破裂し該連通路を開く破裂板を設けたことを特徴とする圧力バランス型反応装置、およびその運転方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧容器内に反応容器を設けた二重容器構造を有し、反応容器内の第１の圧力と耐圧容器と反応容器の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置であって、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器の内部側と耐圧容器と反応容器の間側とを連通させる連通路を設けるとともに、該連通路に、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに破裂し該連通路を開く破裂板を設けたことを特徴とする圧力バランス型反応装置。
【請求項２】
前記破裂板として、一方向のみに作動する破裂板が並列に双方向に設けられている、請求項１の圧力バランス型反応装置。
【請求項３】
前記連通路に、バッファタンクが設けられている、請求項１または２の圧力バランス型反応装置。
【請求項４】
反応容器内で水熱反応を行う、請求項１〜３のいずれかに記載の圧力バランス型反応装置。
【請求項５】
水熱反応が超臨界水酸化反応である、請求項４の圧力バランス型反応装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の圧力バランス型反応装置を用い、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに、破裂板を破裂させて連通路を連通させるとともに、装置を停止する、圧力バランス型反応装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力バランス型反応装置およびその運転方法に関し、とくに超臨界水の存在下での水熱反応等の高圧下での反応を、より望ましい装置条件下で行うことが可能な圧力バランス型反応装置およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧下での反応を行う反応装置として、耐圧容器内に反応容器を設けて二重容器構造とし、反応容器内の圧力と、耐圧容器と反応容器の間の圧力とをバランスさせて、反応容器自体には大きな内外差圧がかからないようにした圧力バランス型反応装置が知られている。このような構造においては、反応容器には大きな変形力等が加わらないため、比較的薄肉構造を採用でき、また、高価な耐蝕材料等が要求される場合にもその材料費を削減でき、一方、耐圧容器には専ら耐圧性能だけを満足できる構造を採用すればよいから、比較的安価な材料を選定でき、装置全体を安価に構成できるとともに、装置各部に十分に高い要求性能を容易に持たせることが可能になる。
【０００３】
このような圧力バランス型反応装置は、たとえば、高温高圧水の存在下での水熱反応等に有効である。近年、高温高圧水、とくに超臨界水の存在下での水熱酸化反応を利用して、環境汚染物質等を分解、無害化する試みが注目されている。とくに、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水酸化により、従来技術では分解することが難しかった有害な難分解性の有機物、例えば、ＰＣＢ（ポリ塩素化ビフェニル）、ダイオキシン、有機塩素系有機物等を分解して、二酸化炭素、窒素、水、無機塩などの無害な生成物に転化する試みが注目されている。この超臨界水とは、超臨界状態にある水、すなわち、水の臨界点を越えた状態にある水を言い、詳しくは、３７４．１℃以上の温度で、かつ２２．０４ＭＰａ以上の圧力下にある状態の水を言う。超臨界水は、有機物を溶解する溶解能が高く、有機化合物に多い非極性物質をも完全に溶解することができる一方、逆に、金属、塩等の無機物に対する溶解能は著しく低い。また、超臨界水は、空気や酸素、窒素などの気体と任意の割合で混合して単一相を構成することができる。このような超臨界水を用いた超臨界水酸化を含む水熱反応、とくに温度１８０℃以上、圧力１ＭＰａ以上の高温高圧水を用いる水熱反応等に圧力バランス型反応装置を適用すると、比較的安価に、所定の連続式やバッチ式の水熱反応装置を構成することが可能になる。
【０００４】
圧力バランス型反応装置を適用した水熱反応装置として、特許文献１〜特許文献３には、耐圧容器の中に反応容器を設け、反応容器の外側に（耐圧容器と反応容器の間に）圧力バランスを保つための流体（バランス流体）を流通させる圧力バランス式のベッセル型反応器が開示されている。
【０００５】
このような圧力バランス型反応装置は、バッチ式と連続式の反応装置に大別することが可能である。図５は、バッチ式装置の例を示しており、図５に示す装置では、被処理物１１１が反応容器１１２内に充填され、反応環境を形成する水または超臨界水１１３と反応用流体としての空気１１４が反応容器１１２内に導入されて反応容器１１２内で反応が行われる。反応が終了すると、処理流体１１５は処理流体排出管１１６を介して排出され、たとえば、冷却水１１７を通水した冷却器１１８、処理流体減圧弁１１９を介して所定の行き先へと送られる。このような反応系統とは別系統からバランス流体が供給され、本例では、反応用流体供給管としての空気供給管が分岐され、空気がバランス流体１２０として、反応容器１１２と耐圧容器１２１の間に流入され、バランス空気減圧弁１２２を介して排出される。このバランス流体１２０は、反応容器内流体とは反応容器１１２により隔絶されている。通常、反応容器内圧力よりもバランス流体圧力がわずかに高くなるように、バランス流体１２０の圧力が制御されている。なお、図示していないが、反応容器１１２および耐圧容器１２１に流入するラインには、逆流防止のため逆止弁が設けられる。
【０００６】
図６は、連続式装置の例を示しており、図６に示す装置では、被処理流体１０１がノズル１０２を介してたとえば超臨界水とともに反応容器１０３内に導入され、反応用流体１０４（この場合、空気）が導入されて反応容器１０３内で反応が行われ、処理流体１０５が処理流体排出管１０６から排出される。反応用流体１０４として供給される空気は、圧力バランス用のバランス流体１０７としても使用され、該バランス流体１０７が、反応容器１０３と耐圧容器１０８の間に流入されるとともに、反応容器１０３とノズル１０２の隙間から反応容器１０３内に流入される。この構造においては、反応容器１０３の内外は反応容器１０３の開口部を介して連通しているため、流体流れによる微小な圧力損失による圧力差はあるものの、基本的にはバランス流体と反応容器内流体の圧力は同一となる。なお、図５、６とも図示しないが、反応容器の内側と外側の圧力差を検知するために、たとえば、反応用空気とバランス空気ラインの差圧を測定するラインが設けられており、異常を検知することができるようになっている。
【特許文献１】特開２００３−３４０２６１号公報
【特許文献２】特開２００３−３４０２６２号公報
【特許文献３】特開平９−８５０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、図５に示したようなバッチ式の反応器構造においては、バランス流体と反応容器内流体は隔絶されているため、圧力バランスを取るために両者とも圧力制御をしているが、どちらか一方の圧力制御に不調をきたした場合には、内外圧力差が生じ、反応容器の設計圧力を超えることが想定される。さらに、バッチ式装置においては、昇温・昇圧過程があり（たとえば、特許文献２）、反応容器内の温度上昇に伴う圧力上昇に合わせたバランス流体圧力の制御が必要となるが、予期しない温度の急上昇があった場合、バランス空気圧力の制御が追随できず、内外圧力差が生じ、反応容器の設計圧力を超えることが想定される。さらに、反応容器内で急激な反応が生じて圧力が急上昇した場合や装置に急激な漏れが発生した場合にも、バランス流体圧力の制御が追随できず、内外圧力差が生じ、反応容器の設計圧力を超えることが想定される。
【０００８】
また、図６に示したような連続式の反応器構造においても、被処理流体中に塩類が混入されていると、反応容器内で析出し、場合によっては反応容器とノズルの隙間にも析出し、隙間がなくなる。この場合に、反応容器内流体の圧力調節が不調になったり、運転終了後の反応容器内減圧を行なった際には、反応容器内流体圧力は低下するが、図示しない逆止弁の効果によりバランス流体の逆流は防止され、バランス流体圧力は低下しないため、反応容器の内側と外側に反応容器の設計圧力を超える圧力差が発生することも想定される。
【０００９】
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、とくに制御不調や反応条件の変化等により反応容器の内外圧力差に急激かつ過大な変化が生じた場合に、反応容器にダメージを与えることなく圧力バランス型反応装置の所定の構成を維持できるようにした構造と運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る圧力バランス型反応装置は、耐圧容器内に反応容器を設けた二重容器構造を有し、反応容器内の第１の圧力と耐圧容器と反応容器の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置であって、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器の内部側と耐圧容器と反応容器の間側とを連通させる連通路を設けるとともに、該連通路に、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに破裂し該連通路を開く破裂板を設けたことを特徴とするものからなる。
【００１１】
上記破裂板としては、一枚の破裂板を連通路内に設けた構造とすることもできるし、一方向のみに作動する破裂板が並列に双方向に設けられている構造とすることもできる。
【００１２】
また、上記連通路には、バッファタンクが設けられていることが好ましい。
【００１３】
このような圧力バランス型反応装置においては、反応容器内で高圧の反応、たとえば水熱反応が行われる。水熱反応としては、たとえば超臨界水酸化反応が挙げられる。
【００１４】
本発明に係る圧力バランス型反応装置の運転方法は、上記のような圧力バランス型反応装置を用い、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに、破裂板を破裂させて連通路を連通させるとともに、装置を停止する方法からなる。
【００１５】
従来の圧力バランス型反応装置では、反応容器の内外圧力差が生じた場合には、対応として装置を停止するだけであり、各調節弁により圧力を調節すること以外に圧力差を解消する手段がなかった。そのため、急激に反応容器の内外圧力差が上昇した場合に、調節弁だけでは圧力バランスを調節しきれずに反応容器の設計圧力を超え、反応容器が変形もしくは破損するおそれがあった。しかし本発明に係る圧力バランス型反応装置においては、反応容器の内外差圧が所定値以上となったときには、連通路に設けられた破裂板が破裂し、反応容器の内部と外部を連通させる連通路（均圧ライン）が開かれ、反応容器の内部と外部が連通されて反応容器にかかる差圧を無くす。したがって、反応容器には過大な差圧がかからなくなり、変形や破損のおそれが除去される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る圧力バランス型反応装置およびその運転方法によれば、不測の事態等により反応容器の内外圧力差が急激に上昇した場合にも、破裂板の破裂という極めて速い動作をもって過大な差圧がかからないように対応することができ、反応容器を変形・破損させるおそれを除去して、圧力バランス型反応装置の所定の構成を安定して維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る圧力バランス型反応装置を示しており、とくにバッチ式の、超臨界水酸化装置として好適な水熱反応装置を示している。図１に示す圧力バランス型反応装置１は、耐圧容器２内に反応容器３を設けた二重容器構造を有し、反応容器３内の第１の圧力と耐圧容器２と反応容器３の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置に構成されている。被処理物４はバッチ式にて反応容器３内に充填され、水または超臨界水５と反応用流体６（この場合、空気）が導入されて反応容器３内で反応が行われ、処理流体７が処理流体排出管８から排出される。排出された処理流体７は、本実施態様では、冷却水９が通水された冷却器１０で冷却され、処理流体減圧弁１１にて適度に減圧されて所定の行き先へと排出される。反応用流体６として供給される空気は、圧力バランス用のバランス流体１２としても使用され、該バランス流体１２は、反応容器３と耐圧容器２の間に流入され、反応容器３内とは隔絶された状態にて、バランス流体排出管１３、バランス流体減圧弁１４を介して排出される。
【００１８】
そして、この圧力バランス型反応装置１に、反応容器３内の第１の圧力と耐圧容器２と反応容器３の間の第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器３の内部側と耐圧容器２と反応容器３の間側とを連通させる連通路１５が設けられている。この連通路１５には、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに該連通路１５を開く破裂板１６が設けられており、破裂板１６は、自身の破裂により連通路１５を開くようになっている。本実施態様では、破裂板１６は、連通路１５の延設方向の両方向に破裂できるようになっているが、図２に示すように、一方向のみに作動する破裂板１６ａ、１６ｂが並列に双方向に（破裂方向が互いに反対方向となるように）設けられている構造とすることもできる。図２に示した構造では、破裂板１６ａ、１６ｂのそれぞれの作動方向を別方向とすることで、どちらの圧力が増加した場合にも精度良く対応できるようになる。なお図１に示される破裂板１６は、連通路１５において破裂板１６を境界にして一方の圧力（第１の圧力）が他方の圧力（第２の圧力）より大きくなり、その差圧が所定値以上になったときに、圧力の大きい側から圧力の小さい側に破裂する破裂板を用いることができる。
【００１９】
また図２に示される破裂板１６ａは、例えば破裂板の中央部に矢印方向に凸状に湾曲している破壊部を設け、矢印方向の圧力が破裂板１６ａを境界としてその逆方向の圧力より大きくなり、その差圧が所定値以上になったときに前記破壊部が破壊し、たとえ矢印方向と逆方向の圧力が大きくなったとしても破壊しないような破裂板を用いることができる。なお破裂板１６ｂは、１６ａとは逆方向に作動するものを用いることは言うまでもない。
【００２０】
このように構成された圧力バランス型反応装置１においては、連通路１５を設けるとともに、その連通路１５に破裂板１６（あるいは破裂板１６ａ、１６ｂ）を設けることにより、反応容器３の内外圧力差が急激に変化しその差圧が所定範囲を超えると、破裂板が迅速に破裂して連通路１５を開放し、反応容器３の内外圧力差を解消することができる。したがって、不測の事態等が発生し反応容器３の内外圧力差が急激に増大した場合にあっても、連通路１５（均圧ライン）とそこに設けた破裂板の破裂による均圧化により、極めて迅速に圧力差を解消できることになり、反応容器３にダメージを与えることなく、所定の圧力バランス型反応装置１の構成を安定して維持することができる。
【００２１】
なお、図示例では、反応容器３の内部と外部の圧力差を感知し、圧力を均一化する破裂板１６を設けるライン（連通路１５）として、水または超臨界水の反応容器３への入口とバランス空気の配管入口を選択したが、その他にも、以下に示すような各箇所からの任意の組合せとすることができる。たとえば、反応容器３の内部圧力感知位置として、（１）反応容器入口、（２）処理流体出口、（３）反応容器内から導出される差圧検知専用ライン（図示略）等、また、反応容器３の外部圧力感知位置として、（１）バランス空気入口の他、（２）バランス空気出口、（３）耐圧容器から導出される差圧感知専用ライン（図示略）等を選択してもよい。図１において、水または超臨界水の入口側は、基本的には不純物を含まない水が供給され、塩の析出・閉塞のおそれが最も低い位置であるため、反応容器内側圧力の導出元として好ましい。
【００２２】
また、反応容器内に投入される被処理物は腐食性である場合があるが、通常耐圧容器には特別な腐食対策を施さないため、反応容器内圧力が上昇して破裂板が作動した場合には、反応容器内の被処理物（被処理流体）が反応容器外部に到達し、耐圧容器と接液すると、耐圧容器が腐食するおそれがある。そこで、図１の装置に関して図３に示すように、均圧ライン（連通路１５）にバッファタンク２１を設けることで、反応容器内圧力が上昇して破裂板１６が作動した場合でも、反応容器内流体が反応容器外部に到達することがなくなる。図３では、破裂板１６の前にバッファタンク２１を設けたが、後ろでもよく、また、前後に一つずつ設けてもよい。バッファタンク２１の構成としては、液の飛散等を抑制する目的で、図３に示すように、反応容器内部との連結側がタンク下部まで導かれ、反応容器外部との連結側がタンク上部に接続されていることが好ましい。なお、次に述べる図４に示す装置についても、同様にバッファタンクを設けることができる。
【００２３】
本発明は、図１に示したようなバッチ式の圧力バランス型反応装置に好適なものであるが、本発明は連続式の圧力バランス型反応装置にも適用できる。図４は、本発明の第２実施態様に係る圧力バランス型反応装置を示しており、とくに連続式の、超臨界水酸化装置として好適な水熱反応装置を示している。図４に示す圧力バランス型反応装置３１は、耐圧容器３２内に反応容器３３を設けた二重容器構造を有し、反応容器３３内の第１の圧力と耐圧容器３２と反応容器３３の間の第２の圧力とをバランスさせるようにした圧力バランス型反応装置に構成されている。被処理流体３４はノズル３５を介してたとえば超臨界水とともに反応容器３３内に導入され、反応用流体３６（この場合、空気）が導入されて反応容器３３内で反応が行われ、処理流体３７が処理流体排出管３８から排出される。反応用流体３６として供給される空気は、圧力バランス用のバランス流体３９としても使用され、該バランス流体３９が、反応容器３３と耐圧容器３２の間に流入されるとともに、反応容器３３とノズル３５との隙間４０から反応容器３３内に流入される。本実施態様においては、反応容器３３に対してブライン水入口４１とブライン水出口４２とが設けられており、反応容器３３内のブライン水４３の液面レベルを検出する液面検出器４４が、低位側検出ライン４５、高位側検出ライン４６を介して接続されている。
【００２４】
そして、この圧力バランス型反応装置３１に、反応容器３３内の第１の圧力と耐圧容器３２と反応容器３３の間の第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに反応容器３３の内部側と耐圧容器３２と反応容器３３の間側とを連通させる連通路４７が設けられており、この連通路４７に、第１の圧力と第２の圧力との差圧が所定値以上になったときに自身の破裂により該連通路４７を開く破裂板４８が設けられている。この圧力バランス型反応装置３１においても、不測の事態等が発生し反応容器３３の内外圧力差が急激に増大した場合にあっても、連通路４７（均圧ライン）とそこに設けた破裂板４８の破裂による均圧化により、極めて迅速に圧力差を解消できることになり、反応容器３３にダメージを与えることなく、所定の圧力バランス型反応装置３１の構成を安定して維持することができる。
【００２５】
なお、図１、４において、耐圧容器と反応容器の間の圧力バランスを保つ流体として、反応に使用する空気を分岐して供給する形態を示したが、耐圧容器と反応容器の間の圧力バランスを保つ流体として全く別個に、たとえば窒素のような流体を供給する形態でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る圧力バランス型反応装置およびその運転方法は、二重容器型のあらゆる圧力バランス型反応装置に適用でき、とくにバッチ式の圧力バランス型反応装置、中でも、超臨界水の存在下での超臨界水酸化のような高圧下での水熱反応に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施態様に係る圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。
【図２】図１の装置の破裂板の別の構成例を示す部分機器系統図である。
【図３】図１の装置にバッファタンクを設けた場合の部分機器系統図である。
【図４】本発明の第２実施態様に係る圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。
【図５】従来のバッチ式の圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。
【図６】従来の連続式の圧力バランス型反応装置の概略機器系統図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、３１  圧力バランス型反応装置
２、３２  耐圧容器
３、３３  反応容器
４  被処理物
５  水または超臨界水
６、３６  反応用流体としての空気
７、３７  処理流体
８、３８  処理流体排出管
９  冷却水
１０  冷却器
１１  処理流体減圧弁
１２、３９  バランス流体としての空気
１３  バランス流体排出管
１４  バランス流体減圧弁
１５、４７  連通路（均圧ライン）
１６、１６ａ、１６ｂ、４８  破裂板
２１  バッファタンク
３４  被処理流体
３５  ノズル
４０  隙間
４１  ブライン水入口
４２  ブライン水出口
４３  ブライン水
４４  液面検出器
４５  低位側検出ライン
４６  高位側検出ライン
【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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