JP4296060B2

JP4296060B2 - 超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置

Info

Publication number: JP4296060B2
Application number: JP2003300447A
Authority: JP
Inventors: 喜裕余米; 研川辺
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-08-25
Also published as: JP2005066484A

Description

本発明は、超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等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等を被反応物質として、この被反応物質を超臨界流体又は亜臨界流体により分解処理やガス化処理等を行うための反応装置に関するものである。

バイオマスなどの有機物質等の被反応物質に対する処理方法としては、かつての薬品酸化法、光酸化法、燃焼法に代えて、超臨界水又は亜臨界水による分解の方法が開発されている（特許文献１）。

さらに、超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応方法として、例えば、水の臨界条件、すなわち、臨界温度３７４℃、臨界圧力２１８気圧を超えた条件の超臨界水が、その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被反応物質を分解処理する方法も知られている（特許文献２）。

特許文献２では、例えば、木粉等の有機物質を分散させた高圧流体を断熱的に急速に圧縮して超臨界又は亜臨界の状態を保つことにより、流体蒸気の超臨界又は亜臨界の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反応装置を開示している。すなわち、流体蒸気を圧縮して超臨界流体又は亜臨界流体を得る手段と、この超臨界流体又は亜臨界流体を有機物等の被反応物質に接触させて化学反応を行わせる手段と、この化学反応によって生じる生成物を含む流体を膨張させて冷却させる手段とからなる反応装置である。そしてその手段として、シリンダとこのシリンダに設けられた圧縮プランジャにより流体蒸気を圧縮するとしているが、その際の高圧をシールする方法については何ら記載されていない。
特公平１−３８５３２号公報特開２００２−２６３４６５号公報

特許文献２のような超臨界流体又は亜臨界流体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、高圧流体の超臨界状態又は亜臨界状態を扱うための反応装置においては、高温、高圧の超臨界流体又は亜臨界流体をシリンダとこのシリンダに設けられた圧縮プランジャとの境界面をシールする方法として、従来の内燃機関や圧縮機に見られる複数のリング構成での潤滑油を用いたシール方法では、蒸気による洗浄作用によりシリンダ摺動面の潤滑油が洗浄されるため高いシール性を確保することができない。

そこで、本発明では、反応機関におけるシリンダ内での高温、高圧の超臨界流体又は亜臨界流体を確実にシールすることが可能な超臨界流体又は亜臨界流体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。

上記した目的を達成するため、本発明の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置は、シリンダとこのシリンダに設けられた圧縮プランジャとからなり、圧縮プランジャを動作させることによりシリンダ内に導入した被反応物質を伴う流体蒸気を圧縮し、この圧縮による被反応物質の化学反応が終了した後に圧縮プランジャを逆方向に動作させて流体蒸気の温度及び圧力を下げ、得られた生成物を含む流体をシリンダ内から取り出して新たな流体蒸気をシリンダ内に吹き込むことにより周期的に吸排気行程を行う反応機関において、前記シリンダの摺動面下部と圧縮プランジャの上部にグランドパッキン等の合口隙間を有しないシール部材を１個又は複数個設け、かつ両シール部材で挟まれたシリンダの摺動面と圧縮プランジャの外周面で形成される境界部に水又は油等の液体を供給する液体圧送ポンプを設け、また、液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路に境界部から液体圧送ポンプへの液体の流入を阻止する逆止弁を設けたことを特徴とする。

上記した本発明の反応機関における境界部の容積は、圧縮プランジャの上下運動により大きく変化するため、供給された非圧縮性の液体で充満された境界部は極端に高圧になり、シール部材を破壊したり、シール部材を通過し反応室に流入し、反応室の圧力を変化させ、安定した超臨界又は亜臨界状態を確保することができなくなる。

また、シリンダ下部からの流出を含め、境界部に保有される液体の量が不足すると、シール部材のシール性低下や磨耗増大を招き安定した反応を維持することができなくなる。即ち、境界部の液体の圧力制御が課題となる。しかし、液体は一般に非圧縮性の液体であるため、液体の圧力制御は、容積制御と言い換えることができる。

そこで、境界部に液体を供給する経路に、吐出量を圧縮プランジャの上下運動による境界部の最大容積変化量及びシール部材からの洩れ量を補給するに足る量とすると共に、圧縮プランジャの上下運動と同期して吐出・吸入させる容積バランス形圧送ポンプを設け、液体導入部の容積を概ね一定に保つことにより、圧縮プランジャの下降時の境界部の異常な圧力の上昇を防止するとともに、圧縮プランジャの上昇時の境界部への液体の供給によって負圧を回避することを特徴とする。

また、前記容積バランス形圧送ポンプの別案として、該容積バランス形圧送ポンプのように積極的に吐出・吸入せずに圧縮プランジャの上下運動により発生する境界部の圧力変動を利用し、液体導入経路に圧力により容積が変化する可動ピストンを有する蓄圧装置を設け、高圧時は蓄圧装置の容積を増し、また、境界部の圧力低下に応じて蓄圧装置の容積を減らすことにより、境界部と蓄圧装置の容積の和を概ね一定にすることを特徴とする。

さらなる別案として、前記反応室の圧縮蒸気と境界部の液体を可動ピストンを介して対抗させるように、蓄圧装置の可動ピストンの一方側およびその反対側をそれぞれ反応室と境界部とに経路を介して連通することにより、反応室と境界部の圧力を概ね同一にしたことを特徴とする。

上述のように本発明は構成されるから、次のような効果を発揮する。

本発明の反応装置では、シリンダ下部にグランドパッキン等のシール部材を設けた構成とすることにより、シリンダにおける圧縮プランジャの摺動部分に液体圧送ポンプを介して液体を供給することで、シリンダの摺動部分における超臨界流体又は亜臨界流体を確実にシールすることができる。

また、液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路に、吐出量を概ね圧縮プランジャの上下運動による境界部の容積変化量及びシール部材からの洩れ量を補給するに足る量とすると共に、圧縮プランジャの上下運動と同期して吐出・吸入させる容積バランス形圧送ポンプを設けて液体導入部の容積を概ね一定に保つことにより、圧縮プランジャの下降時の境界部の異常な圧力上昇防止と、圧縮プランジャの上昇時の境界部の負圧を回避して境界部の液体の量と圧力を適正に維持することができる。

また、液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路に、圧縮プランジャの上下運動による境界部の容積変化に伴う圧力変化を吸収する蓄圧装置を設けることにより、極端な圧力上昇や圧力低下を防止できる。

さらに、前記蓄圧装置において、可動ピストンの反対側を反応室と連通することにより、圧縮プランジャの圧縮上昇行程時のシリンダ内の圧力上昇が可動ピストンを介して境界部の液体の圧力を上昇させ、逆に圧縮プランジャの下降時のシリンダ内の圧力低下は可動ピストンを介して境界部の圧力を下げるため、反応室内の圧力変動に追従して境界部の液体の圧力が維持されるため、圧縮プランジャ上部のシール部材からの反応室への流体の流入を確実に防止し、反応室の圧力をシリンダ下部に設けたシール部材に伝達して液体による確実なシールが可能となる。

また、シール部材の個数や締代等により、圧縮プランジャの上部に設けたシール部材のシール性をシリンダの下部に設けたシール部材のシール性より高く設定することにより、圧縮プランジャの上下運動による境界部の圧力変動に伴うシール部材からの洩れを下部のシール部材側で生じさせることが可能となる。

また、シリンダ下部に設けたシール部材以外に圧縮プランジャを駆動するピストン側にグランドパッキン等のシール部材を１個又は複数個設けると共に、それらのシール部材の間にランタンリング等を設け、圧縮プランジャ側からの液体又は該ピストン側からの油の漏れを外部に導入することにより、これらの液体と水蒸気とが混入するのを避けることが可能となる。これにより、シリンダにおける超臨界状態又は亜臨界状態を安定化させ、反応機関を効率的に動作させることができる。

次に発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。本発明に係る超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置１の構成のうち反応機関２を図１に示した。なお、蒸気発生部や反応生成物回収のための復水器等の図は省略されている。反応装置１では、超臨界流体又は亜臨界流体を得る流体として、水のほか、例えば、二酸化炭素、亜酸化窒素、フレオン１２、フレオン１３、エタン、エチレン、プロピレン、ブタン、ヘキサン、メタノール、ベンゼン、トルエン、アンモニア、その他多様な物質を選択して利用することも可能であるが、以下は水の場合で説明する。

反応装置１には、シリンダ３と、シリンダ３内を上下運動する圧縮プランジャ４とからなる反応機関２が設けられている。圧縮プランジャ４とは、ピストンを含む広い概念である。

反応機関２において、シリンダ３はブロック２１に支持されており、圧縮プランジャ４はブロック２１内の駆動用ピストン４ｂにより駆動されるように締結されている。また、駆動用ピストン４ｂは連接棒２３、ピストンピン４ｃを介しクランク軸２２により周期的に上下運動する。

反応機関２における圧縮プランジャ４を動作させることにより、反応装置１に併設したボイラー５から水蒸気を導入すると共に、この水蒸気を圧縮して超臨界水又は亜臨界水を得ることができる。この超臨界状態又は亜臨界状態の水蒸気に被反応物質を接触させて、被反応物質に化学反応を生じさせる。次いで、被反応物質の化学反応終了後に圧縮プランジャ４を逆方向に動作させて該超臨界水又は該亜臨界水の温度及び圧力を下げ水蒸気とし、被反応物質の生成物の含まれた水蒸気をシリンダから取り出す。再度、圧縮プランジャ４を前記同様に動作させることにより、新たな水蒸気がシリンダ３に吹き込む。反応機関２においては、このような吸排気行程を周期的に動作させることができる。

反応室６は、シリンダ３の摺動面３ａと圧縮プランジャ４の頂面４ａ、更には、シリンダ３の上部に締結されたヘッド１０により形成された空間からなる。また、反応室６を形成するヘッド１０の反応室６の面にはボイラー５からの蒸気を吸入する吸気弁７と反応室６内の蒸気を排出する排気弁８が設けられ、更にそれらはそれぞれ吸気ポート９ａ、排気ポート９ｂを介し反応機関２の内部、外部に導かれる。

吸気弁７及び排気弁８の開閉は、カム軸（図示しない）により駆動されるタペット１４を介して上下方向に駆動される。吸気弁７及び排気弁８はバネ（図示しない）により常に閉状態になるように付勢されている。

ヘッド１０には、反応室６に通じる原料物質導入孔１６が設けられており、吸気弁７の開弁時期に概ね同期し原料を導入することにより蒸気との混合を良好にしている。

吸気弁７よりシリンダ３内に吸入された蒸気は、圧縮プランジャ４により高圧に圧縮されるため、充分なシール性が必要である。しかし、従来の内燃機関や圧縮機等に用いられている複数のリング構成での潤滑油の粘性に頼ったシール方法では、蒸気の洗浄作用によりリングの合口部に潤滑油を保持することができず、十分な高圧に耐えるシール性を確保することができない。

そこで、その摺動部のシール性を確保するために、シリンダ３の摺動面３ａ下部と圧縮プランジャ４の上部にグランドパッキン等の合口部のないシール部材１５，１８を１個又は複数個設けると共に、シリンダ３の摺動面３ａと圧縮プランジャ４の外周面及び両シール部材１５，１８で形成された境界部３ｂにシリンダ３の下部に設けた導入穴２０ａから液体圧送ポンプ１９を用いて水又は潤滑油等の液体を供給する。当然、反応室６の高圧をシールするためには境界部３ｂの圧力は最大反応室６の圧力になるため、境界部３ｂと液体圧送ポンプ１９との間には逆止弁２４を設けている。これにより、両シール部材１５，１８のシール性を高めると共に、シリンダ３の摺動面３ａとシール部材１５，１８の異常磨耗を防止することにより、長期間にわたり安定したシール性を確保する。特に、このシール方式では、反応室６と境界部３ｂとの圧力差を小さくすることが可能であるため、圧縮プランジャ４の上部に設けたシール部材１８の負担を低く抑えることができる。このことは、長期間にわたって安定した超臨界状態を確保することが可能となる。

しかし、圧縮プランジャ４の上下運動により境界部３ｂの容積は大きく変化するが、境界部３ｂに供給された液体はほとんど非圧縮性であるため、シール部材１５，１８が完全にシールするとすると、圧縮プランジャ４の下降時には境界部３ｂの圧力は極端に高くなり、上下のシール部材１５，１８のシール性の限界を越え液体が流出するか、シール部材１５，１８の破損を招くことが懸念される。しかし、一般的にはグランドパッキン等に代表されるシール部材は洩れることによる圧力損失でシール性を生み出しているため、洩れ分を補給しながら高圧をシールする必要がある。この境界部３ｂの圧力変化は回転数やストローク、即ち圧縮プランジャ４の速度により異なるが、境界部３ｂの圧力を積極的に制御することはより有効である。

そこで、図２に示すように、境界部３ｂに液体を供給する経路の境界部３ｂと逆止弁２４の間に、境界部３ｂの最大容積にシール部材１５，１８からの洩れ量を補給するのに充分な吐出量を有し、圧縮プランジャ４が下降時に吸入（この場合、境界部３ｂの圧力が高ければ、ポンプ１９の後に設けた逆止弁２４は閉じたままとなり、タンク２５からの新しい液体は吸入されない）し、圧縮プランジャ４が上昇して境界部３ｂの容積が大きくなるタイミングに液体を吐出する容積バランス形圧送ポンプ２６を設ける。即ち、圧縮プランジャ４と同期して作動する容積バランス形圧送ポンプ２６を設けることにより、境界部３ｂの容積と容積バランス形圧送ポンプ２６の圧縮容積２９の和が常にほぼ一定することで極端な圧力上昇や圧力低下を防止するのである。

次に図２では、境界部３ｂの容積変化を積極的に容積バランス形圧送ポンプ２６により吸収する方式を提案したが、図３では、境界部３ｂの圧力変化を利用し、スプリング３１ａを介して摺動可能な可動ピストン３１を有して容積変化を持たせた蓄圧室３０を容積バランス形圧送ポンプ２６に替えて設けたものである。シール部材１５，１８からの洩れによる液体の不足は、液体圧送ポンプ１９により境界部３ｂと蓄圧室３０の経路の圧力がある一定圧以下になれば、逆止弁２４を介し供給されるのは全ての方式に共通である。

次に図４で提案するものは、境界部３ｂの圧力制御を反応室６の圧力を用いて制御しようとするものであり、図３で提案した蓄圧室３０の可動ピストン３１の反対側に反応室６の圧力を供給するものである。即ち、反応室６の圧縮蒸気と境界部３ｂの液体を分離する可動ピストン３３を介し、両面の圧力をバランスさせる圧力バランス機構３２を設けたものである。例えば、吸入蒸気を圧縮する行程で見ると、圧縮プランジャ４が上昇し、反応室６の圧力は上昇するが、境界部３ｂの容積は増えるため圧力は下がることになる。そこで、反応室６の圧力が経路２０ｂを介し、可動ピストン３３の上面３４ｂに、また可動ピストン３３の下面３４ａには境界部３ｂの低下した圧力が伝えられるため、可動ピストン３３は下面３４ａ側に移動し、境界部３ｂ側の圧力を高める。この方式では、圧縮プランジャ４の上部に設けたシール部材１８の上下間の圧力差を極端に小さく維持することができる。

このように本発明は、圧縮プランジャ４の上部に設けたシール部材１８は、反応室６の高圧をシールするのが目的でなく、境界部３ｂに供給した液体が反応室６に流出するのを防止するのが主目的である。反応室６の高圧をシールするのはシリンダ３の摺動面下部に設けたシール部材１５である。この場合、境界部３ｂの液体は反応室６の圧力をシリンダ３の下部に設けたシール部材１５に伝達することとシール部材１５のシール性を高めるのが目的である。即ち、シール部材１８は洩れによる圧力損失でシール性を得ているため、高圧作用時に洩れる流体が充分必要なのである。

本発明で提案したシール方式では、いずれも圧縮プランジャ４の上部に設けたシール部材１８に作用する圧力差は、シリンダ３の下部に設けたシール部材１５に作用する圧力差より小さくなり、圧縮プランジャ４の上部に設けたシール部材１８の方が耐久性からみて有利であるが、反応室６への液体の流出は安定した超臨界水反応を確保することができなくなるため、シール部材の数や長さ、更には締代等により、圧縮プランジャ４の上部のシール部材１８をシリンダ３の下部に設けたシール部材１５より強固に設定する。

また、本反応機関２では、圧縮プランジャ４は駆動用ピストン４ｂに締結されているため、シリンダ３の下部に設けたシール部材１５からの水蒸気の洩れは、駆動ピストン４ｂの摺動面の焼き付きの原因となると共に、駆動用ピストン４ｂにより掻き上げられた潤滑油が境界部３ｂの液体に混入することは長期間の運転を考えると避けるべきであり、図５に示すように、シリンダ３下部のシール部材１５ａ、１５ｂの下に、更に駆動用ピストン４ｂの側からの潤滑油をシールするシール部材１５ｃを設けると共に、その間にランタンリング３５等を挿入し、その間の洩れた液体や潤滑油等を外部に排出する穴３６を設ける。

本シール方式では、液体の粘性等に大きく頼っていないため、該境界面３ｂに供給する液体は、超臨界流体の種類や反応処理により影響しにくい液体の選定が可能となる。

本発明に係る実施の最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置の部分縦断面図である。本発明に係る実施の最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における容積バランス形圧送ポンプにより吸収する方式を説明する部分縦断面図である。本発明に係る実施の最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置における蓄圧室を設けた形態を説明する部分縦断面図である。本発明に係る実施の最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置におけるシリンダの摺動部分の形態を説明する部分縦断面図である。本発明に係る実施の最良の形態の超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置におけるシリンダの摺動部分の形態を説明する部分縦断面図である。

１反応装置
２反応機関
３シリンダ
３ａ摺動面
３ｂ境界部
４圧縮プランジャー
４ａ圧縮プランジャー頂面
４ｂ駆動用ピストン
４ｃピストンピン
５ボイラー
６反応室
７吸気弁
８排気弁
９ａ吸気ポート
９ｂ排気ポート
１０ヘッド
１１吸気孔
１２排気孔
１３弁軸
１４タペット
１５シール部材
１５ａ〜１５ｃシール部材
１６原料物質導入孔
１８シール部材
１９液体圧送ポンプ
２０ａ導入穴
２０ｂ経路
２１ブロック
２２クランク軸
２３連接棒
２４逆止弁
２５タンク
２６容積バランス形圧送ポンプ
２７プランジャ（ピストン）
２８カム軸
２９圧縮容積
３０蓄圧室
３１可動ピストン
３１ａスプリング
３２圧力バランス機構
３３可動ピストン
３３ａ、３３ｂスプリング
３４ａ下面
３４ｂ上面
３５ランタンリング
３６排出穴
３７シール部材押え

Claims

シリンダとこのシリンダに設けられた圧縮プランジャとからなり、圧縮プランジャを動作させることによりシリンダ内に導入した被反応物質を伴う流体蒸気を圧縮し、この圧縮による被反応物質の化学反応が終了した後に圧縮プランジャを逆方向に動作させて流体蒸気の温度及び圧力を下げ、得られた生成物を含む流体をシリンダ内から取り出して新たな流体蒸気をシリンダ内に吹き込むことにより周期的に吸排気行程を行う反応機関において、前記シリンダの摺動面下部と圧縮プランジャの上部にグランドパッキン等の合口隙間を有しないシール部材を１個又は複数個設け、かつ両シール部材で挟まれたシリンダの摺動面と圧縮プランジャの外周面で形成される境界部に水又は油等の液体を供給する液体圧送ポンプを設け、また、液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路に境界部から液体圧送ポンプへの液体の流入を阻止する逆止弁を設けたことを特徴とする超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置。
前記液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路における逆止弁の下流側に、吐出量を概ね圧縮プランジャの上下運動による境界部の容積変化量及びシール部材からの洩れ量を補給するに足る量とすると共に、圧縮プランジャの上下運動と同期して液体を吐出・吸入させる容積バランス形圧送ポンプを設け、液体導入部の容積を概ね一定に保つことにより、圧縮プランジャの下降時の境界部の異常な圧力上昇防止と、該圧縮プランジャの上昇時の境界部の負圧を回避して境界部の液体の量と圧力を適正に維持することを特徴とする請求項１に記載された超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置。
前記液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路における逆止弁の下流側に、圧縮プランジャの上下運動による境界部の容積変化に伴う圧力変化を吸収する可動ピストンを有する蓄圧装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載された超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置。
前記蓄圧装置の可動ピストンの、液体圧送ポンプと境界部とを接続する経路に連通する側とは反対側を反応室と連通し、圧縮プランジャの圧縮上昇行程時のシリンダ内の圧力上昇を可動ピストンを介して境界部の液体圧力を上昇させ、逆に圧縮プランジャの下降時のシリンダ内の圧力低下を可動ピストンを介して境界部の液体圧力を低下させることを特徴とする請求項３に記載された超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置。
前記圧縮プランジャの上部に設けたシール部材のシール性を個数や締代等によりシリンダの下部に設けたシール部材のシール性よりも高く設定し、圧縮プランジャの上下運動による境界部の圧力変動によるシール部材からの洩れを下部のシール部材側で生じさせ、反応室への液体の流入を防止したことを特徴とする請求項１に記載された超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置。
前記シリンダ下部に設けたシール部材以外に圧縮プランジャを駆動するピストン側にグランドパッキン等のシール部材を１個又は複数個設けると共に、それらのシール部材の間にランタンリングを設け、該ランタンリングを経て圧縮プランジャ側からの液体又は該ピストン側からの油の漏れを外部に排出することを特徴とする請求項１に記載された超臨界流体又は亜臨界流体による有機物質等の反応装置。