(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界水反応の対象となる有機物を収容する開閉自在なシリンダ容器と、水及び超臨界水反応に必要な他の流体をシリンダ容器に充填させる流入管とを備えた反応器と、
反応器に流入管を介して水及び超臨界水反応に必要な他の流体を充填する充填ポンプと、
溶融金属を収容し、溶融金属中に反応器を浸漬させて、反応器を加熱する金属浴槽と
を備えていることを特徴とするバッチ式超臨界水反応装置。
【請求項２】
冷却水を収容し、冷却水中に反応器を浸漬させて冷却する水槽を備えたことを特徴とする請求項１に記載のバッチ式超臨界水反応装置。
【請求項３】
金属浴槽内の溶融金属に浸漬した反応器を、又は水槽内の冷却水に浸漬した反応器を揺動させる揺動機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバッチ式超臨界水反応装置。
【請求項４】
反応器を、又は反応器と共に揺動機構を一体的に昇降させる昇降機構を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバッチ式超臨界水反応装置。
【請求項５】
反応器を、又は反応器と共に揺動機構及び昇降機構の少なくともいずれかを一体的に所定場所から所定場所に水平に移動させる反応器移動機構を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバッチ式超臨界水反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッチ式超臨界水反応装置に関し、更に詳細には、一回のバッチ運転を短時間で効率的に実施するようにした、実験用として最適なバッチ式超臨界水反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題に対する認識の高まりと共に、有機物の酸化、分解能力の高い超臨界水反応を利用して、環境汚染物質を分解、無害化する試みが注目されている。すなわち、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水反応により、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、有機塩素系溶剤等を分解して、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である。
そして、そのような超臨界水反応プロセスを実施する実用的な超臨界水反応装置も、研究され、開発されている。
【０００３】
超臨界水反応装置とは、超臨界水の高い反応性を利用して有機物を分解する装置であって、例えば、難分解性の有害な有機物を分解して無害な二酸化炭素と水に転化したり、難分解性の高分子化合物を分解して有用な低分子化合物に転化したりするために、現在、その実用化が盛んに研究されている。
超臨界水とは、超臨界状態にある水、即ち、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、酸素や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。
【０００４】
ところで、近年、バイオマスからエタノール燃料を生産する等のバイオマスのエネルギー変換の研究が注目されていて、なかでも、超臨界水によりバイオマスを加水分解してエタノール燃料を生産する試みが、鋭意、研究されている。
例えば、バイオマスの超臨界水処理は、超臨界水の誘電率とイオン積の特異性を利用したもので、超臨界水状態下で水密度が増大して水素イオンとしての働きが強まり、酸触媒としてバイオマスを加水分解することが可能になると言われている。
以上のように、超臨界水反応による処理方法は、有害な難分解性の有機物の処理のみならず、低価値の有機物を高価値の有益な有機物に転換するプロセスにも適用されつつある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の超臨界水によるバイオマスの加水分解プロセスのような研究では、異なる条件下で種々のデータを採取するために、多数回の超臨界水反応実験をバッチ式で行う必要があるにもかかわらず、従来の超臨界水反応の実験では、通常のオートクレーブ型の反応器を用いているために、一回のバッチ反応プロセスを遂行するのに、長時間を要し、しかも人手がかかり、従って実験の能率が悪く、思うように実験が捗らないという問題があった。
そのために、人手を要しないで一回のバッチ反応プロセスに要する時間を短縮できるバッチ式超臨界水反応装置の開発が要望されていた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、一回のバッチ反応プロセスに要する時間を短くでき、自動的にバッチ反応プロセスを進行させることのできるバッチ式超臨界水反応装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の実験で行う種々の作業を分析し、バッチ式実験で時間を要する要因を解析した結果、超臨界水反応に必要な水等を反応器に充填する作業、及び、超臨界水反応を進行させるために反応器の収容物を所定の６００°から６５０°に加熱する作業、反応器を冷却して反応生成物を取り出す作業に時間を要していると判断し、反応物を充填し易い反応器及びその充填手段と、加熱時間及び冷却時間を短くする手段とを設け、かつ自動的に反応器をハンドリングする機構を設けることを着想し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係るバッチ式超臨界水反応装置は、超臨界水反応の対象となる有機物を収容する開閉自在なシリンダ容器と、水及び超臨界水反応に必要な他の流体をシリンダ容器に充填させる流入管とを備えた反応器と、
反応器に流入管を介して水及び超臨界水反応に必要な他の流体を充填する充填ポンプと、
溶融金属を収容し、溶融金属中に反応器を浸漬させて、反応器を加熱する金属浴槽と
を備えていることを特徴としている。
【０００９】
好適には、反応器として、例えばネジ結合のプラグを脱着させて端部開口を開閉する細長いシリンダ容器を使用する。また、金属浴槽に収容する溶融金属として、低溶融点の金属、例えば溶融錫を使用する。
本発明の好適な実施態様では、冷却水を収容し、冷却水中に反応器を浸漬させて冷却する水槽を備える。これにより、反応器の冷却を短時間で行うことができる。
【００１０】
本発明の更に好適な実施態様では、反応器をハンドリングする機構として、金属浴槽内の溶融金属に浸漬した反応器を、又は水槽内の冷却水に浸漬した反応器を揺動させる揺動機構を備えている。揺動機構によって反応器を揺動することより、反応器の加熱、冷却を促進し、かつ反応器の一様な加熱、冷却を助長することができる。揺動は、１次元的な揺動、即ち往復動でも、２次元的な揺動、例えば垂直面内での回動を伴う揺動でも、また３次元的な揺動でも良い。
また、反応器を、又は反応器と共に揺動機構を一体的に昇降させる昇降機構を備えている。これにより、機械的に反応器を昇降させることができるので、反応器を昇降させて、金属浴槽内の溶融金属に、又は水槽内の冷却水に浸漬させ、次いで引き上げたりして、加熱作業及び冷却作業を容易にし、また、待機場所で反応器を昇降させ、反応器への試料充填を容易にすることができる。
更には、反応器を、又は反応器と共に揺動機構及び昇降機構の少なくともいずれかを一体的に所定場所から所定場所に、例えば反応器の待機場所から金属浴槽上に、金属浴槽上から水槽上に、水槽上から待機場所に水平に移動させる反応器移動機構を備えている。これにより、反応器の移動が容易になり、実験に要する時間を短縮することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る超臨界水反応装置の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の超臨界水反応装置の構成を示すフローシート、図２は超臨界水反応装置の全体構造を示す平面図、図３は反応器の構成を示す断面図、図４は図２の矢視Ｉ−Ｉでの超臨界水反応装置の側面図、及び、図５は図２の矢視II−IIでの超臨界水反応装置の側面図である。
本実施形態例の超臨界水反応装置１０は、超臨界水反応の実験装置として最適な、例えばバイオマスの加水分解プロセスの実験に最適な小型のバッチ式超臨界水反応装置である。
【００１２】
超臨界水反応装置１０は、図１に示すように、反応器１２と、反応器１２を加熱する金属浴槽１４と、反応器１２を冷却する水槽１６と、反応器１２を昇降、揺動、及び水平移動させる反応器ハンドリング装置１８と、水、酸化剤、又は有機溶媒を収容するタンク１９と、タンク１９に収容した水又は有機溶媒を反応器１２に充填するプランジャ型充填ポンプ２０と、充填ポンプ２０により充填される水又は有機溶媒を反応器１２に送入する送入管２１とを備え、一つの架台２５（図４、５参照）上に搭載されている。
尚、図１では、タンク１９として一個のタンクのみを図示しているが、必要に応じて、反応器１２に充填する流体毎に複数個のタンクを設けても良い。
【００１３】
金属浴槽１４は、低溶融点金属、例えば錫を溶融した溶融錫を収容して、反応器１２を浸漬させて加熱する槽であって、錫を加熱して溶融させ、所定温度に維持する発熱体２２と、溶融錫の温度を測定する温度計２３と、温度計２３の測定温度に基づいて、溶融錫の温度が所定温度になるように発熱体２２の発熱量を制御する温度制御装置２４とを備えている。
水槽１６は、水を収容して反応器１２を冷却する。
金属浴槽１４、水槽１６、タンク１９及び充填ポンプ２０は、図２、図４及び図５に示すように架台２５の基盤２６上に設置されている。
【００１４】
反応器ハンドリング装置１８は、その構成を後で詳述するように、反応器１２を昇降させる昇降機構４４、反応器１２を金属浴槽１４又は水槽１６内で揺動させる揺動機構４６、及び、金属浴槽１４と水槽１６との間で反応器１２を移動する移動機構４８を備えている。
【００１５】
反応器ハンドリング装置１８は、昇降機構４４によって、反応器１２を金属浴槽１４内に下降させて金属浴中に浸漬し、必要に応じて揺動機構４６によって反応器１２を揺動する。これにより、反応器１２に収容した反応物が、短時間で均一に加熱され、反応物の超臨界水反応が円滑に進行する。
反応器１２内の反応物の超臨界水反応が終了すると、反応器ハンドリング装置１８は、昇降機構４４によって反応器１２を金属浴槽１４から引き上げ、次いで、水平移動機構４８によって水槽１６上に移動し、昇降機構４４によって下降させて水中に浸漬し、冷却する。また、反応器ハンドリング装置１８は、必要に応じて、水槽１６内で反応器１２を揺動し、反応器１２に収容した反応生成物の冷却を促進する。
【００１６】
反応器１２の反応器入口の近傍位置で送入管２１には、開閉弁２７が設けられ、必要に応じて、例えば反応物を充填した後、反応器１２を充填ポンプ２０等から遮断するようになっている。
また、開閉弁２７の上流には高圧フレキシブルチューブ２８が設けられ、充填ポンプ２０及び送入管２１等の剛の部分から高圧フレキシブルチューブ２８を介して反応器１２の動きを自由にし、反応器ハンドリング装置１８による反応器１２の昇降、揺動及び移動を自在に、かつ円滑にしている。
【００１７】
反応器１２は、図３に示すように、反応器本体として設けられた細長いシリンダ容器３２と、シリンダ容器３２の中間部に接続された入口管３４と、充填ポンプ２０に接続され、流体を導入する送入管２１を入口管３４に接続する接続部３６とを備えている。
シリンダ容器３２は、ネジ結合のプラグ３０の脱着によって開閉自在な開口を一方の端部に備え、その開口からバイオマス等の実験試料を導入させる。
また、シリンダ容器３２は、プラグ３０を貫通してシリンダ容器３２内に挿入された熱電対保護管３８を備え、熱電対保護管３８を通してシリンダ容器３２の中間部まで熱電対４０を延在させている。
更には、反応器１２は、複数個（図２では２個図示）のボール４２をシリンダ容器３２内に内蔵し、ボール４２をシリンダ容器３２内で往復動させることにより、シリンダ容器３２内に収容した反応物を攪拌して、加熱及び超臨界水反応の進行を促進することができる。
【００１８】
架台２５は、図２、図４及び図５に示すように、長方体状に形成されたフレーム構造であって、金属浴槽１４、水槽１６、タンク１９、充填ポンプ２０等を設置した基盤２６が下部に設けられ、超臨界水反応装置１０の各機器を制御する制御盤（図示せず）が側方に設置されている。
反応器ハンドリング装置１８は、前述のように、昇降機構４４と、揺動機構４６と、水平移動機構４８とから構成され、図２、図４及び図５に示すように、フレームで長方体状に形成され、架台２５上を走行するキャリッジ５０に搭載されている。
また、水槽１６側の基盤２６端部は、反応器１２の待機領域５１となっていて、反応器１２に試料を投入する作業等を行う場所となっている。
【００１９】
昇降機構４４は、図４に示すように、キャリッジ５０に縦方向に設けられた柱状軌条５２と、既知の構成の駆動装置（図示せず）、例えば流体圧シリンダ等によって駆動され、柱状軌条５２に沿って昇降する昇降体５３とから構成され、反応器１２を装着させた揺動機構４６を昇降体５３に連結させて、自在に昇降させる。
キャリッジ５０を金属浴槽１４上又は水槽１６上に移動し、昇降機構４４を動作させることにより、反応器１２は、キャリッジ５０内で自在に昇降して、金属浴槽１４又は水槽１６に浸漬し、引き上げられる。
【００２０】
次に、図６及び図７を参照して、揺動機構４６の構成を説明する。図６は図２の矢視Ｉ−Ｉの揺動機構の詳細図、及び図７は図６の矢視III −III の側面図である。
揺動機構４６は、図６及び図７に示すように、反応器１２を装着する支持板５４と、支持板５４の中間部から支持板５４に直交して上方に延びて、回転軸５５の回りに揺動する帯板状のアーム５６と、アーム５６を回転させる駆動機構５８と備え、連結板６０によって昇降機構４４に連結されている。
【００２１】
駆動機構５８は、アーム５６に平行な面を有する円板として形成され、円板の中心を回転中心として回転する回転板６４と、連結板６０に固定され、回転板６４を回転させる駆動モータ６６と、回転中心から偏芯した位置で回転板６４上に設けられ、アーム５６に向かって突出する短いピン６２と、アーム５６の上端部６７にアーム５６の長手方向に設けられ、ピン６２と係合し、褶動させる長孔６８とから構成されている。
駆動モータ６６の駆動により、ピン６２は、回転板６４の回転に合わせて、係合している長孔６８に沿って褶動しつつ、回転板６４の回転中心の回りに矢印の方向に遊星運動的に回動する。
ピン６４と細孔６８との係合褶動により、アーム５６の上端部６７が左右に揺動し、アーム５６の下端部、即ち支持板５４に装着した反応器１２を回転軸５４の回りに揺動させる。
反応器１２の入口管３４は、図７に示すように、アーム５６に沿って延びており、アーム５６の揺動に合わせて同じように揺動する。
【００２２】
水平移動機構４８は、図２及び図５に示すように、キャリッジ５０と、キャリッジ５０の走行を案内する２本の水平軌道７０と、チェーン機構７２及び既知の駆動機構（図示せず）を介してキャリッジ５０を駆動する駆動モータ７４と、キャリッジ５０の位置を検出するために水平軌道７０の所定位置に設けられたリミットスイッチ等のセンサ（図示せず）と、位置検出センサと連動して駆動モータ７４を起動、停止させる制御装置（図示せず）とから構成されている。
水平移動機構４８は、駆動モータ７４の駆動によって水平軌道７０に沿ってキャリッジ５０を移動させ、キャリッジ５０の位置検出センサで位置を検出しつつ、遠隔操作により、反応器１２を待機領域５１から金属浴槽１４上に、金属浴槽１４上から水槽１６上に、更には、水槽１６上から待機領域５１に水平移動させる。
【００２３】
本バッチ式超臨界水反応装置１０では、図示しないが、必要に応じて、送入管２１にドレン管、安全弁、圧力計等が設けられている。
また、反応器ハンドリング装置１８、充填ポンプ２０等の動作を遠隔的に制御する制御装置が、架台２５近傍の制御盤（図示せず）に設けてある。
【００２４】
次いで、図１から図３を参照して、バイオマスを加水分解する際の超臨界水反応装置１０の使用方法を説明する。
先ず、反応器１２を待機領域５１に位置させ、シリンダ容器３２のプラグ３０を取り外して、シリンダ容器３２内に所定量の試料バイオマスを投入し、次いでプラグ３０を装着する。金属浴槽１４に錫を投入して、所定温度の溶融錫を形成すると共に水槽１６に冷却水を収容する。
次いで、充填ポンプ２０を起動して、超臨界水生成用の水、及び、必要に応じて酸化剤として過酸化水素（Ｈ2 Ｏ2 ）を所定圧力になるまで送入する。
続いて、開閉弁２７を閉止し、反応器１２を開閉弁２７の上流の供給系統から遮断する。
【００２５】
次に、反応器ハンドリング装置１８を起動して、水平移動機構４８によって反応器１２を待機領域５１から金属浴槽１４上に水平移動させ、続いて昇降機構４４によって下降させ、金属浴槽１４に収容した所定温度の溶融錫中に浸漬する。必要に応じて、揺動機構４６を起動させ、反応器１２を金属浴槽１４内で揺動させて、反応器１２内に収容された試料、水等の内容物の一様な加熱を助長する。更には、ボール４２を往復動させ、反応器１２内に収容された試料、水等を攪拌、混合して、シリンダ容器３２内に内容物を一様に分散させる。
【００２６】
反応器１２内の試料は、金属浴槽１４内で所定圧力で所定温度に加熱され、反応器１２内の水は超臨界水に転化し、超臨界水反応が開始され、進行し、次いで終了する。
【００２７】
超臨界水反応が終了すると、再び、反応器ハンドリング装置１８を起動して、昇降機構４４によって反応器１２を金属浴槽１４から引き上げる。
次いで、水平移動機構４８によって反応器１２を金属浴槽１４上から水槽１６上に水平移動させ、続いて昇降機構４４によって下降させ、水槽１６に収容した冷却水中に浸漬する。
必要に応じて、揺動機構４６を起動して、反応器１２を水槽１６内で揺動させて、反応器１２内に収容された反応生成物の一様な冷却を促進する。
【００２８】
反応生成物の冷却が終わると、再び、反応器ハンドリング装置１８を起動して、昇降機構４４によって反応器１２を水槽１４から引き上げる。
次いで、水平移動機構４８によって反応器１２を水槽１６上から待機領域５１に水平移動させ、シリンダ容器３２のプラグ３０を取り外して、反応生成物を取り出す。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、開閉自在なシリンダ容器と流入管とを備えた反応器と、充填ポンプと、金属浴槽とを備えることにより、一回のバッチ反応プロセスに要する時間を短くできるバッチ式超臨界水反応装置を実現している。
また、反応器ハンドリング装置として水平移動機構、昇降機構及び揺動機構を備えることにより、自動的にバッチ反応プロセスを進行させることのできるバッチ式超臨界水反応装置を実現している。
これにより、昇温、冷却時の熱影響を受ける時間を短縮し、精度のよい試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の超臨界水反応装置の構成を示すフローシートである。
【図２】超臨界水反応装置の全体構造を示す平面図である。
【図３】反応器の構成を示す断面図である。
【図４】図２の矢視Ｉ−Ｉでの超臨界水反応装置の側面図である。
【図５】図２の矢視II−IIでの超臨界水反応装置の側面図である。
【図６】図２の矢視Ｉ−Ｉの揺動機構の詳細図である。
【図７】図６の矢視III −III の側面図である。
【符号の説明】
１０  本発明に係る超臨界水反応装置の実施形態例
１２  反応器
１４  金属浴槽
１６  水槽
１８  反応器ハンドリング装置
１９  タンク
２０  充填ポンプ
２１  送入管
２２  発熱体
２３  温度計
２４  温度制御装置
２５  架台
２６  基盤
２７  開閉弁
２８  高圧フレキシブルチューブ
３０  プラグ
３２  シリンダ容器
３４  入口管
３６  接続部
３８  熱電対保護管
４０  熱電対
４２  ボール
４４  昇降機構
４６  揺動機構
４８  水平移動機構
５０  キャリッジ
５１  待機領域
５２  柱状軌条
５３  昇降体
５４  支持板
５５  回転軸
５６  アーム
５８  駆動機構
６０  連結板
６２  ピン
６４  回転板
６６  駆動モータ
６７  アームの上端部
６８  長孔
７０  水平軌道
７２  チェーン機構
７４  駆動モータ
【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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