專利名稱：利用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置。更具體地講，涉及以生物體等的有機物質(zhì)等為被反應物質(zhì)、使用超臨界流體或亞臨界流體將該被反應物質(zhì)進行分解或反應處理用的反應裝置。
背景技術(shù)：
很早，作為對生物體等的有機物質(zhì)進行物理化學的分解反應方法，如特公平1-38532號公報所公開的，提出了使用超臨界流體的分解處理方法來代替已知的藥品氧化法、光氧化法、燃燒法、熱水反應法。
有機物質(zhì)等使用這種超臨界流體的分解處理方法，與反應條件為200-300℃的低溫條件的熱水反應法不同，是使用超過水的臨界溫度374℃、臨界壓力218個大氣壓條件下的超臨界水對有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)進行分解。這種超臨界水具有許多優(yōu)點，例如其極性可以用溫度和壓力控制，鏈烷烴系烴或苯等的非極性物質(zhì)也可以進行溶解，另外，作為與氧等的氣體以任意的比例進行混合的這種有機物氧化分解用的反應溶劑顯示出極好的性能。此外，分解對象物的碳含量是百分之幾，只靠氧化熱便可升溫到臨界溫度以上，故熱能利用非常好，另外，使用超臨界水可以將通過水解反應或熱分解反應幾乎難分解的有機物或有毒有機物等大致完全分解等。
使用以往超臨界流體的方法按照以下的流程進行。即，在將含有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)的水、氧等的氧化劑流體及超臨界流體這三種流體預先混合狀態(tài)或部分混合狀態(tài)下，供給進行超臨界水氧化反應的反應容器。在水的超臨界條件下通過氧化過程將對象物進行分解。此外，通過氧化反應還可以處理成一氧化碳或氫等。
使用以往超臨界流體的反應裝置，都是把流體加壓后進行加熱使流體成為超臨界狀態(tài)或亞臨界狀態(tài)的高溫高壓的狀態(tài)，由此而進行反應，因此，使流體成為高溫高壓狀態(tài)時需要大量的能量。
對超臨界流體或亞臨界流體的高溫高壓的流體，作為降低加壓時的能量的方法，有采用管路系統(tǒng)的連續(xù)式高壓釜的開發(fā)(山崎仲道等著，《水熱科學實驗所報告》，Vol.3，1-4(1979))。這種方法是使用活塞和汽缸回收處理后的高溫高壓流體的壓力，利用與回收用的另外的活塞連動的活塞和汽缸，降低對加壓前的流體進行加壓時的能量。
為了降低對超臨界流體或亞臨界流體的高溫高壓流體加壓時的能量，也有使用特開2000-233127號公報公開的裝置的方法。該裝置使用汽缸中的活塞接收處理后的高溫高壓流體的壓力，作為對處理前流體進行加壓用的力進行傳導的第1驅(qū)動手段上又設加載驅(qū)動力的第2驅(qū)動手段。即，處理后的高壓流體的能量，在利用背壓閥降低后導入前述第1驅(qū)動手段中的汽缸。因此，是使含被反應物質(zhì)的流體變成高溫高壓后穩(wěn)定地供給反應體系的裝置。
另外，超臨界流體或亞臨界流體因為是高溫高壓，流體中的分解反應等非?？?。因此，必須縮短在超臨界流體或亞臨界流體中處理被反應物質(zhì)的時間，使超臨界流體或亞臨界流體中的高速反應迅速停止。
作為利用超臨界流體或亞臨界流體的高溫高壓流體縮短在短時間內(nèi)處理被反應物質(zhì)時間的方法，有利用纖維素水解用連續(xù)反應裝置(M.Sasaki，B.Kabyemela，R.Hilaluan S.Mirose，N.Takeda，T.Adschiri，K.Arai；亞臨界和超臨界水中的纖維素水解，J.Supercrit.Fluids1998.13.261-268)的方法。該方法是流動型反應裝置，采用以下的流程進行被反應物質(zhì)的處理。即，在反應器的入口附近使被反應物質(zhì)與加熱加壓到規(guī)定條件的超臨界水迅速升溫到直接混合為目的的最佳反應溫度。另外，通過在反應器的出口向反應液直接噴入冷水進行外部冷卻的方法進行急冷。這種情況下，通過縮小反應器的容積或提高流速，可以縮短在超臨界水中處理被反應物質(zhì)的時間。
然而，目前還沒有可以回收能量、且使用超臨界流體在極短時間內(nèi)處理被反應物質(zhì)、同時可以使用前述以往的超臨界流體有效地實施有機物質(zhì)等的反應、進行高溫高壓流體的超臨界狀態(tài)操作用的工業(yè)化裝置。
有機物質(zhì)等使用以往超臨界流體的反應裝置，例如，被反應物質(zhì)是木粉等有機物質(zhì)的場合，迅速將分散有機物質(zhì)的高壓水加熱，將超臨界或亞臨界狀態(tài)保持一定時間，通過該超臨界或亞臨界狀態(tài)的水解反應，可進行使木粉等的有機物質(zhì)向葡萄糖等低分子糖轉(zhuǎn)化的糖化反應。為了防止該糖化反應結(jié)束后生成的低分子糖類再分解，必須將高溫的超臨界水或亞臨界水進行急冷停止反應。該糖化反應也可以使用間歇型及流動型的任一種裝置進行。以前的反應裝置提出了使用流動型進行反應時，高溫超臨界水狀態(tài)的實現(xiàn)使分散木粉的低溫超臨界壓水與高溫的超臨界水混合進行反應。另外，為了停止該反應，采用注入冷水的過程的裝置。
但是，這種以前的反應裝置，要進行上述的各過程，還存在以下的諸問題。
(1)要構(gòu)成裝置必須有順序?qū)胨募訅骸⒓訜?、反應、冷卻及減壓器，因此裝置構(gòu)成整體來講變得復雜。
(2)為了縮短木質(zhì)等有機物質(zhì)糖化反應的時間，必須混合冷水停止反應。若延長反應時間，則被反應物過度分解后不能得到糖。
(3)因此通過使用冷水急冷停止反應，故水使用量增多。因此，反應后濃縮糖的規(guī)模大。
(4)因為使用冷水的冷卻過程，因此能量消耗大。
(5)很難用高壓水使木質(zhì)等的有機物質(zhì)在同樣地分散的狀態(tài)下分布。
因此，本發(fā)明的目的在于提供可在均勻狀態(tài)下將有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)注入反應器、可以用極短的時間對被反應物質(zhì)進行超臨界流體處理、同時能量效率高且可工業(yè)運轉(zhuǎn)的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了達到上述的目的，本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，由壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段，使該超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段，以及使含該化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段，使超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段，以及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段，由汽缸與設在該汽缸上的活塞構(gòu)成，通過使該活塞運動壓縮蒸氣?；瘜W反應結(jié)束后，使活塞向反方向運動，降低溫度和壓力，從汽缸中取出含所得產(chǎn)物的流體并向汽缸中噴入新的蒸氣而周期性地運轉(zhuǎn)。
這里，上述的汽缸與活塞是往復式的反應機，在功能上是與柱塞在汽缸內(nèi)往復運動的柱塞式反應器完全相同的物理形式的裝置。本發(fā)明的反應裝置通過活塞在汽缸中的運動，在同一個汽缸內(nèi)進行加壓、加熱、反應、冷卻及減壓。因此，可以使整個裝置簡化。
本發(fā)明的反應裝置，使用活塞將導入汽缸中的蒸氣進行絕熱壓縮，實現(xiàn)流體的超臨界或亞臨界狀態(tài)。然后，再驅(qū)動活塞，使流體絕熱膨脹，對該流體的超臨界或亞臨界狀態(tài)進行冷卻。此時，通過使活塞的上下運動變換成旋轉(zhuǎn)運動等調(diào)節(jié)其速度，可以在極短時間內(nèi)中斷超臨界或亞臨界流體中的反應，抑制被反應物質(zhì)的過度分解，不混合低溫的液體(流體是水時，為冷水)而可以迅速停止反應(凍結(jié))。其結(jié)果，由于不使用低溫的流體，所以可以高度確保所得反應產(chǎn)物糖等的濃度。
此外，通過使活塞絕熱膨脹的功變換成旋轉(zhuǎn)運動等，可以再用于再次絕熱壓縮用的功，在秒單位以下的極短時間內(nèi)中斷被處理物質(zhì)的反應時，可以使用少的能耗進行處理。
在本發(fā)明裝置內(nèi)實現(xiàn)的超臨界流體的溫度壓力條件，可以利用流體的壓縮比、導入的飽和蒸氣的溫度、液體(流體是水時，為水)的添加量自由地控制。而且，被處理物質(zhì)向反應裝置中的導入，由于在流體的飽和蒸氣導入汽缸內(nèi)的階段或蒸氣的壓縮中使用噴嘴與液體一起通過高壓噴射進行，所以可以使被處理物質(zhì)均勻分散地導入反應裝置。
本發(fā)明的反應裝置中，作為獲得超臨界狀態(tài)的流體，例如，除了水外，還可列舉二氧化碳、氧化亞氮、氟里昂12、氟里昂13、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、己烷、甲醇、乙醇、苯、甲苯、氨等其他多種多樣的物質(zhì)。
本發(fā)明反應裝置中的蒸氣是上述各種物質(zhì)中的任一種流體的蒸氣，可以利用鍋爐等獲得。在導入該流體蒸氣的反應裝置內(nèi)的壓縮作用下成為超臨界狀態(tài)。由于該壓縮，在活塞的上死點附近短時間產(chǎn)生所期望的超臨界或亞臨界狀態(tài)的高溫高壓流體。通過該高溫高壓流體與被反應物質(zhì)的接觸，使被反應物質(zhì)發(fā)生水解反應等，因此可以將被反應物質(zhì)進行分解等。
該反應所需要的超臨界或亞臨界狀態(tài)的高溫高壓流體與被反應物質(zhì)的接觸時間，依流體達到的溫度、壓力而不同，但大多數(shù)是數(shù)分鐘到數(shù)秒以下的極短時間。本發(fā)明的反應裝置，例如，活塞在反應機內(nèi)一行程中的大約1/20作為所期望的溫度壓力以上，其存在時間為0.01秒時，是大約300rpm。因為這是使用相同機構(gòu)發(fā)動機可充分實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)數(shù)，所以可以充分實現(xiàn)秒單位以下的處理時間。另外，通過使相同被反應物反復進行反應，也可以充分實現(xiàn)數(shù)分鐘單位的反應。
本發(fā)明反應裝置中流體的超臨界條件，包含超臨界流體和亞臨界流體。例如，超臨界流體是溫度及壓力都處于超臨界狀態(tài)的情況，而亞臨界流體是溫度或壓力的任一個是超臨界條件的情況，是表示比超臨界狀態(tài)溫和的條件。因此，關(guān)于反應條件，對超臨界流體和亞臨界狀態(tài)的選擇，要根據(jù)被反應物質(zhì)的種類及反應產(chǎn)物的種類等適當?shù)剡x定。
本發(fā)明反應裝置中反應機的高溫高壓流體，如前所述，通過其后活塞等所導致汽缸容積等的急速膨脹而迅速地被冷卻。通過該迅速冷卻，被反應物質(zhì)的化學反應被凍結(jié)(強制停止)。該反應的凍結(jié)也與前述的壓縮過程同樣地在極短時間內(nèi)進行。此外，在活塞的下死點附近，產(chǎn)物與蒸氣一起從反應機內(nèi)排出。
本發(fā)明的反應裝置，通過驅(qū)動活塞可以成為使蒸氣只在汽缸內(nèi)的一側(cè)進行壓縮的構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含向汽缸中噴入的新蒸氣僅為飽和蒸氣、在活塞的壓縮開始時或壓縮中或者壓縮結(jié)束后飽和流體液或冷流體與被反應物質(zhì)一起注入汽缸中的構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含將采用汽缸和活塞進行蒸氣壓縮的容積設在活塞的兩側(cè)的構(gòu)成，或者在活塞的兩側(cè)設壓縮膨脹機、分別設噴射器(原料噴射裝置)的構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含使用設于活塞兩側(cè)的汽缸與活塞所形成的進行蒸氣壓縮的容積的一方壓縮濕蒸氣、另一方的容積保持在高壓下的構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含在汽缸與設于該汽缸上的活塞構(gòu)成的機構(gòu)中回收活塞的功的構(gòu)成。通過回收活塞的功，可以高能量效率地驅(qū)動反應機。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段，使超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段，以及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段，由轉(zhuǎn)子室和設于該轉(zhuǎn)子室中的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，通過使該轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，壓縮蒸氣，在前述的化學反應后再使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，降低溫度和壓力，從轉(zhuǎn)子室內(nèi)取出含所得產(chǎn)物的液體或氣體的流體，通過向轉(zhuǎn)子室內(nèi)噴入新的蒸氣而周期性地運轉(zhuǎn)。
與由汽缸和設于該汽缸上的活塞構(gòu)成的往復式機構(gòu)相比較，由轉(zhuǎn)子室和設于轉(zhuǎn)子室的轉(zhuǎn)子構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)式機構(gòu)的場合，具有壓縮膨脹相對于導入轉(zhuǎn)子室內(nèi)的被處理物質(zhì)的高速化、小型化且輕量化的優(yōu)點。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段、使超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段及使含化學反應生成的產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段，由渦輪壓縮機和與該渦輪壓縮機直接相連的渦輪構(gòu)成，通過使渦輪壓縮機運轉(zhuǎn)壓縮蒸氣，在化學反應結(jié)束后，通過渦輪降低溫度和壓力，通過使取出含所得產(chǎn)物的流體的渦輪與渦輪壓縮機直接連接，從而回收動力。這是為了連續(xù)使被反應物質(zhì)反應的緣故。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含設置使用旋風分離器或離心分離機將含反應所得產(chǎn)物的流體分離成飽和流體和飽和蒸氣流體的手段的構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含設置在被反應物質(zhì)浸于高壓飽和流體中的狀態(tài)下迅速除壓的爆碎裝置、使用該爆碎裝置將被反應物質(zhì)微細化的構(gòu)成。這是由于進行微細化而容易且迅速地將被反應物質(zhì)導入本發(fā)明反應裝置的緣故。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含如下構(gòu)成在汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機與這些汽缸的活塞、轉(zhuǎn)子室的轉(zhuǎn)子或渦輪壓縮機的渦輪所構(gòu)成機械中的掃氣閥及導入通路口分別設流路切換閥等的開關(guān)部分，使得可以設定這些開關(guān)部分的開關(guān)時間，通過設定這些開關(guān)部分使之定時關(guān)閉，可以連續(xù)不斷地進行該機構(gòu)中的超臨界處理。
通過設定機構(gòu)中的各開關(guān)部分使之定時關(guān)閉，可以使用同一個機構(gòu)中的超臨界流體或亞臨界流體連續(xù)而反復地進行有機物質(zhì)等的反應，因此可以完成對需要長時間的被處理物質(zhì)的反應。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含設置多個由汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機與這些的活塞、轉(zhuǎn)子或渦輪所構(gòu)成機構(gòu)的構(gòu)成。為了提高反應的生產(chǎn)性，除了使汽缸等形成多氣筒的情況外，還包含設置多個該機構(gòu)的情況。
利用上述后者的構(gòu)成，可以利用流路連接閥等的開關(guān)部分順序地連接導入多個汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機與這些的活塞、轉(zhuǎn)子或渦輪構(gòu)成的機構(gòu)中的各汽缸、各轉(zhuǎn)子室或各渦輪壓縮機的蒸氣的導入部分及掃氣部分，多次進行由壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段、使超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段以及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹而減壓的手段構(gòu)成的各過程。這是因為被反應物質(zhì)需要用分鐘單位的長時間進行超臨界處理的場合，要根據(jù)需要打開前述的開關(guān)部分，分成多次地反復連續(xù)地進行本發(fā)明的超臨界處理。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含設置可以向汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機內(nèi)導入氧化劑的氧化劑導入裝置、使導入的有機物等的被反應物在超臨界或亞臨界狀態(tài)下進行氧化分解的構(gòu)成。
此外，本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，還包括設置把由含產(chǎn)物的流體中分離出的飽和蒸氣再分離成氣體成分和蒸氣成分的氣化裝置的構(gòu)成。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含如下構(gòu)成設置具有導入產(chǎn)物分解生物體所得葡萄糖等低分子糖的酵母、大腸桿菌等菌類的乙醇發(fā)酵槽，使導入乙醇發(fā)酵槽中的糖的基質(zhì)利用前述菌類轉(zhuǎn)換成乙醇。
另外，本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，設置具有導入產(chǎn)物分解生物體所得低分子糖等的ABE發(fā)酵菌的ABE發(fā)酵槽，利用ABE發(fā)酵菌把導入ABE發(fā)酵槽中的糖的基質(zhì)分解成丙酮、丁醇及乙醇。ABE發(fā)酵槽與前述的以往方法相比，可以用更低的能量有效地通過與超臨界流體的接觸使生成的乙醇等的低分子糖等的基質(zhì)低分子化，在流體中可溶化，再利用ABE發(fā)酵菌變換成丙酮、丁醇及乙醇進行處理。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，包含如下構(gòu)成設置導入產(chǎn)物分解生物體所得低分子的生成成分的具有甲烷發(fā)酵菌的甲烷發(fā)酵槽，使導入甲烷發(fā)酵槽中的低分子化的基質(zhì)利用甲烷發(fā)酵菌轉(zhuǎn)換成甲烷氣。甲烷發(fā)酵槽與前述的以往方法相比，可以用更低的能量通過有效地與超臨界流體的接觸將生物體低分子化，在流體中可溶化，可再利用甲烷菌轉(zhuǎn)換成甲烷氣。
本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，可以分解處理作為被反應物質(zhì)的含城市垃圾的生物體原料。即，生成物是分解生物體所得的糖的場合。被反應物質(zhì)是從含城市垃圾的生物體原料、廢輪胎、煤等含碳物質(zhì)中選出的任一種物質(zhì)、生成物是含分解前述選擇物質(zhì)而所得的一氧化碳、二氧化碳、氫及甲烷氣的合成氣的場合。被反應物質(zhì)是PET瓶等的高分子聚合物、生成物是作為高分子聚合物材料的原料物質(zhì)，被反應物是含有PCB、氟里昂(フロン)、DXN(二噁英)等難分解性的物質(zhì)，將被反應物質(zhì)分解進行無害化的場合，被反應物是廢食用油等的油脂，使用超臨界流體或亞臨界流體將廢油脂轉(zhuǎn)換成脂肪酸酯的場合。


第1圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的流程圖。第2圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中反應機的驅(qū)動構(gòu)成為凸輪式時的部分流程圖。第3圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中使用旋轉(zhuǎn)式的壓縮膨脹機代替往復式壓縮膨脹機的場合的部分流程圖。第4圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中使用渦輪式壓縮膨脹機場合的流程圖。第5圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中使用渦輪式壓縮膨脹機時的流程圖。第6圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的另一種實施方案的流程圖。第7圖是本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置的另一種實施方案的流程圖。第8圖是利用本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置連續(xù)反復地處理被反應物質(zhì)的實施方案的部分流程圖。第9圖是說明在本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中設置多個反應機時的實施方案的部分流程圖。第10圖是說明在本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中設置氧化劑供給裝置的實施方案的部分流程圖。第11圖是說明在本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中設置氣化處理裝置的實施方案的部分流程圖。第12圖是說明在本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中設置乙醇發(fā)酵裝置的實施方案的部分流程圖。第13圖是說明本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中設置ABE發(fā)酵裝置的實施方案的部分流程圖。第14圖是說明本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中設置甲烷氣發(fā)酵裝置的實施方案的部分流程圖。第15圖是說明作為比較例的流動型超臨界流體或亞臨界流體反應裝置中行程的圖。第16圖是表示作為比較例的流動型超臨界流體或亞臨界流體反應裝置中過程的比焓的圖。第17圖是表示本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置中過程的比焓的圖。第18圖是表示介質(zhì)流體為水時的目標點的狀態(tài)與壓縮前的濕蒸氣就壓力3MPa的情況計算的壓縮比ε值的圖。第19圖是表示各種介質(zhì)流體的臨界條件的圖。第20圖是表示介質(zhì)流體是氟里昂12時，目標點的狀態(tài)與壓縮前的濕蒸氣就壓力0.7MPa的情況計算的壓縮比ε值的圖。
實施發(fā)明的最佳方案以下，根據(jù)

實施本發(fā)明的最佳方案。第1圖表示的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置10，是使用水作為介質(zhì)流體的裝置。反應裝置10是以作為獲得水蒸氣的鍋爐11、壓縮該蒸氣獲得超臨界水或亞臨界水的手段、使該超臨界水或亞臨界水與有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段及使含該化學反應生成的產(chǎn)物的水膨脹后減壓的手段的往復式反應機12為基本構(gòu)成的裝置。
水蒸氣由鍋爐11獲得，由供給泵27向鍋爐11供給燃料c，同時由鼓風機28供給空氣D。該水蒸氣被送到反應機12。
反應機12可以壓縮水的水蒸氣。即，反應機12是由汽缸12a與設于該汽缸12a中的活塞12b構(gòu)成的高壓壓縮膨脹機?；钊?2b的兩側(cè)設有容積12A和12B。利用曲柄機構(gòu)13使活塞12b運動，在容積12A中壓縮水蒸氣，可形成超臨界水或亞臨界水。然后，使該超臨界水或亞臨界水與作為被反應物質(zhì)的木粉接觸，可使木粉發(fā)生水解反應。再者，曲柄機構(gòu)13也可以是凸輪機構(gòu)。
該木粉是使用爆碎器15將木片A爆碎、再使木粉微細化得到的微粉，將該木粉導入旋轉(zhuǎn)送料器14，與此同時水B通過泵在加壓狀態(tài)下送入旋轉(zhuǎn)送料器14。在旋轉(zhuǎn)送料器14中在木粉邊擴散到水中邊通過噴射器14a噴射木粉的狀態(tài)下供給反應機12內(nèi)。木粉因為越細越容易引起化學反應而且可以避免噴嘴的堵塞而優(yōu)選。因此，利用爆碎將木粉微細化，若再將細粉制成漿，會更好。
前述木粉的水解反應可以在活塞12b的上死點前后進行。木粉的水解反應結(jié)束后，通過活塞12b的移動，在汽缸12a內(nèi)使蒸氣膨脹后再恢復到濕蒸氣，與此同時由于此時的溫度降低，可使其反應停止。
這種反應過程不需要高溫水或冷卻水，另外，由于木粉的反應時間通過改變活塞12b的運動速度而進行變化，所以該反應過程容易控制。另外，反應機12在利用活塞12b壓縮時需要大量的功，但膨脹時進行運轉(zhuǎn)，從而取出這種功而平衡。這種情況下，由于不把混合或熱移動時伴隨能量損失的過程作為基本的，所以實際上，所需要的功只是化學反應時的能量消耗、活塞12b的摩擦能量、其他泵等的能量。因此，可以用高的能效率進行運轉(zhuǎn)。
活塞12b降下，隨之在適當?shù)臅r候打開通口12e，進行驅(qū)動將反應生成物隨濕蒸氣一起趕出。這種反應機12中的運轉(zhuǎn)可以使用二沖程式或四沖程式的機構(gòu)驅(qū)動。例如，由于即使掃氣不完全也沒關(guān)系，因此作為反應機12可以使用單流型二沖程式設備。該情況下，也可以在汽缸12a中，膨脹結(jié)束時，由活塞12b打開通口12e，導入新的蒸氣，從相對側(cè)的閥12c排出使用后的蒸氣。
向汽缸12a的室12A噴入的新蒸氣僅為飽和蒸氣，在利用活塞12b的壓縮開始時或壓縮中或者壓縮結(jié)束后，可以把飽和液或冷水與木粉一起注入壓縮膨脹機12。就此時的飽和蒸氣來講，可以把用鍋爐11獲得的蒸氣供給汽缸12a內(nèi)。
在向反應機12供給飽和蒸氣的同時或在壓縮過程中，可以把來自鍋爐11的液體成分即冷水噴到汽缸12a內(nèi)，調(diào)節(jié)汽缸12a內(nèi)蒸氣的干度。這是因為該蒸氣的干度太低時，噴射的冷卻水量會太少的緣故。
可以使該冷水噴射時的噴流在均勻分散一定量木粉的狀態(tài)下注入汽缸12a內(nèi)。這種噴射因為在高速下噴射冷水，故可以使微細的木粉飛散。同時由于可以用飽和液把木粉吹掉，因此可以避免在噴射用噴嘴處發(fā)生堵塞。另外，噴射使用冷水，這是為了對木粉賦予必要的濕度，同時通過使木粉保持在低溫(最好150℃以下)，防止木粉在汽缸12a內(nèi)進行熱分解。
本發(fā)明的反應裝置還包含設置利用旋風分離器23(或離心分離機)把含化學反應所得產(chǎn)物的水分離成飽和水與飽和蒸氣的手段的構(gòu)成。
即，把汽缸12a排出的低壓濕蒸氣噴入旋風分離器23中，把含有化學反應制得的產(chǎn)物的水分離成飽和水與飽和蒸氣的手段。此時，旋風分離器23分離出的低壓飽和蒸氣，可以把加熱蒸氣的一部分導入另外設有流量調(diào)節(jié)閥(調(diào)節(jié)計)31的動力發(fā)生機17中，把該能量作為汽缸12a與活塞12b的反應機12的動力利用。13是與活塞12b的軸端連接的曲柄機構(gòu)，16是動力發(fā)生機17的曲柄機構(gòu)，21a-21d是換熱器。由此可以提高裝置10整體的能量效率。動力發(fā)生器17使用的蒸氣在冷凝器18冷凝后，可通過過濾器19作為給水返回鍋爐11。
為了利用上述動力發(fā)生機17的能量作為反應機12的動力，曲柄機構(gòu)13與曲柄機構(gòu)16相連接。即，動力發(fā)生機17的動力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動后，從曲柄機構(gòu)16傳給曲柄機構(gòu)13，利用該旋轉(zhuǎn)運動作為反應機12中活塞12b的動力。
這種情況下，曲柄機構(gòu)13、16兩者或任一方也可以由凸輪機構(gòu)構(gòu)成。第2圖示出了凸輪機構(gòu)130代替曲柄機構(gòu)13的構(gòu)成。凸輪機構(gòu)130由凸輪130a與凸輪基部130b構(gòu)成，凸輪130a與反應機120A中活塞120b的端部120c連接，可以把凸輪130的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成活塞120b的伸縮運動。120a是汽缸。
旋風分離器23的反應產(chǎn)物濃縮后，被導入氣液分離器26。分離成飽和蒸氣和飽和水。這里，分離飽和蒸氣和飽和水是預料反應產(chǎn)物不成為蒸氣而只含在液體中的緣故。因此，反應產(chǎn)物的濃縮還可以只分離其液體的加熱蒸氣。因此，可以使所得反應產(chǎn)物的濃縮操作簡單化。另外，由于反應產(chǎn)物不含在飽和蒸氣中，因此可以通過泵20將其返回鍋爐11或者送入動力回收機17，與前述同樣地作為動力源使用。
第3圖示出了使用旋轉(zhuǎn)式的反應機120B代替前述反應機12的構(gòu)成。反應機120B由轉(zhuǎn)子室120d與其轉(zhuǎn)子120e構(gòu)成。轉(zhuǎn)子120e在轉(zhuǎn)子外周面與轉(zhuǎn)子室120d進行內(nèi)接的狀態(tài)下進行偏心旋轉(zhuǎn)。另外，在轉(zhuǎn)子120e的內(nèi)周部有驅(qū)動軸120f與齒輪連接，驅(qū)動軸120f的旋轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)子120e偏心旋轉(zhuǎn)。有關(guān)其他的構(gòu)成部分與前述同樣。
反應機120B通過轉(zhuǎn)子120e的偏心旋轉(zhuǎn)，汲出鍋爐11的水蒸氣，從蒸氣導入口120g進入轉(zhuǎn)子室120d內(nèi)進行壓縮，于是形成超臨界水或亞臨界水。該超臨界水或亞臨界水與旋轉(zhuǎn)送料器14的送料器14b噴出的木粉接觸。通過水解反應將木粉分解。然后，在轉(zhuǎn)子室120d通過轉(zhuǎn)子120e的旋轉(zhuǎn)膨脹后再恢復到濕蒸氣。同時由于此時的溫度降低，可以使木粉的化學反應停止。
在這種反應過程中不需要高溫水或冷卻水，以及利用轉(zhuǎn)子120e的旋轉(zhuǎn)速度可以容易地控制木粉水解反應速度，這與使用前述反應機12的場合相同。
反應機120B可以隨轉(zhuǎn)子120e的旋轉(zhuǎn)從轉(zhuǎn)子室120d的排出口120h排出低壓濕蒸氣。此外，把該排出的低壓濕蒸氣噴入旋風分離器23，可以把含化學反應所制得產(chǎn)物的水分離成飽和水與飽和蒸氣。此外，轉(zhuǎn)子120e的旋轉(zhuǎn)運動可以直接取出作為驅(qū)動軸120f的動力?？梢园言搫恿υ僮鳛檗D(zhuǎn)子120e的旋轉(zhuǎn)運動等利用。因此，可以以高的能量效率進行處理。這方面也與使用反應機12的前述作用相同。
以下，第4圖所示的反應機是渦輪式的高壓壓縮膨脹機，是從鍋爐11把水蒸氣導入作為渦輪壓縮機的一種的離心壓縮機34。離心壓縮機34可以把導入的水蒸氣壓縮成超臨界水或亞臨界水。然后該超臨界水或亞臨界水被送入高壓反應機33。
高壓反應機33，把木粉原料A導入木粉漿儲槽41，與水均勻混合后，通過送料泵連續(xù)地供給。作為該被反應物質(zhì)的木粉，與送入高壓反應機33中的超臨界水或亞臨界水接觸進行水解反應。
就該木粉的化學反應來講，通過把超臨界水或亞臨界水從高壓反應機33導入徑流式渦輪35，膨脹后恢復到濕蒸氣，同時由于此時的溫度降低，可以使該反應停止。36是驅(qū)動徑流式渦輪35的馬達。
這種反應過程由于不需要高溫水或冷卻水，并且因木粉的反應時間通過改變徑流式渦輪35的旋轉(zhuǎn)速度而進行變化，所以該過程控制容易。另外，離心壓縮機34需要大量的功，配置在同一個軸上的徑流式渦輪35中的膨脹進行運轉(zhuǎn)，使該功被取出而平衡。渦輪35排出的蒸氣在旋風分離器23進行氣液分離，飽和蒸氣返回鍋爐11，但一部分飽和蒸氣導入徑流式渦輪37，產(chǎn)生動力后，從發(fā)電機38得到電力。把該電力用于離心壓縮機34的輔助驅(qū)動。
為了容易地獲得流體的高溫高壓狀態(tài)，如第5圖所示，可以把離心壓縮機34及徑流式渦輪35設置成二段或多段。這種情況下，在二段的離心分離機38之間設置混合器37，由送料泵41供給冷水，進行加熱蒸氣的濕度調(diào)整。
然后，如第6圖所示，本發(fā)明的反應裝置包含在活塞12b的兩側(cè)設置容積、使蒸氣經(jīng)由一方的容積之后導入另一方的容積并只在其中一方進行蒸氣壓縮的構(gòu)成。根據(jù)這種構(gòu)成，由于可以降低兩側(cè)容積中的壓力差，故可以減輕13的軸承負荷。
第7圖表示的本發(fā)明的反應裝置，包含反應機12在活塞12b的兩側(cè)設置由汽缸12a與活塞12b所形成的進行蒸氣壓縮的容積的構(gòu)成。根據(jù)這種復動式的構(gòu)成，可以增加單位時間的被反應物質(zhì)的化學反應量。
第8圖表示的本發(fā)明的反應裝置，在由汽缸12a與該汽缸的活塞12b構(gòu)成的反應機12中，掃氣閥12c及導入口12e與流路切換閥12g、12h連接，各流路切換閥12g、12h都關(guān)閉的時間可以進行設定，使得由于掃氣閥12c及導入口12e的流路關(guān)閉，被反應物質(zhì)在一定時間內(nèi)使用該反應機12內(nèi)的超臨界流體連續(xù)反復地得到處理。
根據(jù)該反應裝置，關(guān)閉流路切換閥12g、12h時，產(chǎn)物停止從掃氣閥12c排出，與此同時也停止新的蒸氣從導入口12e流入。為此，反應機12利用活塞12b對被處理物質(zhì)連續(xù)反復地進行多次的超臨界處理。因此，即使在根據(jù)被反應物質(zhì)的種類確保需要的反應時間，為了使反應良好地結(jié)束而需要分鐘單位等長時間的情況下，也可以有效地處理全部被反應物質(zhì)。
本發(fā)明的反應裝置，如第9圖所示，包含設置多個由汽缸12a與該汽缸的活塞12b所構(gòu)成的反應機12的構(gòu)成。這種多個構(gòu)成可以使從第一反應機12的掃氣閥12c所排出木粉的反應產(chǎn)物通過流路切換閥12g順序地移到第二反應機12以下的反應機。然后，第二反應機12可再重復同樣的反應。這種情況與前述同樣，在根據(jù)被反應物的種類確保所需要的時間直到反應良好地結(jié)束而需要分鐘單位的情況下，也可以高效處理全部被反應物，這樣的作用，在前述旋轉(zhuǎn)式的反應機120或離心壓縮機34、徑流式渦輪35等的渦輪式壓縮膨脹機設置多個反應機的構(gòu)成中也可同樣地得到。
前述各圖中29是廢氣后處理裝置，把上述化學反應產(chǎn)生的廢氣或鍋爐11產(chǎn)生的廢氣從煙筒30排放到大氣中。
介質(zhì)流體為水的場合，本發(fā)明的裝置如第10圖所示，包含設置可向汽缸室12a噴射導入氧化劑的氧化劑供給器150的構(gòu)成。氧化劑供給器150可通過噴射機150a及噴射器14b與反應機12直接連接地設置。因此，在汽缸12a內(nèi)可發(fā)生超臨界水氧化反應，進行木粉的氧化分解。
即，根據(jù)噴射氧化劑供給器150的構(gòu)成，在大約374℃、218個大氣壓以上的高溫高壓區(qū)域的超臨界水中，按照超臨界水氧化法的原理，氣體、液體或漿狀的有機物質(zhì)與木粉在超臨界水中形成均勻相，即使不使用催化劑，也可以進行燃燒反應，完全燃燒進行分解。因此，與使用過去的超臨界水、亞臨界水、加壓熱水的處理相比，可以使用低的能量消耗進行處理。
流體為水的場合，本發(fā)明的反應裝置如第11圖所示，可以在能得到旋風分離器23分離的產(chǎn)物的氣體成分的位置設置氣液分離器230等構(gòu)成的氣化裝置。生成的氣體成分通過長時間用超臨界水對木粉等的有機物質(zhì)進行處理，進行分解反應而獲得。用該氣化裝置，被處理物質(zhì)通過用換熱器231只冷卻甲烷、氫、一氧化碳或二氧化碳等氣體與水蒸氣的混合氣中的水蒸氣而進行液化，通過其后段的氣液分離器230可以分離成甲烷、氫、一氧化碳或二氧化碳等的分解氣和水。這是因為就常壓下的沸點來講，水為100℃，而甲烷為-182℃，氫為-253℃，一氧化碳為-191℃，二氧化碳為-78℃，與水相比，都是非常低的低溫，水蒸氣液化時產(chǎn)生的熱能可以通過換熱器231用于鍋爐給水E的加熱。另外，氣液分離器230分離出的水可以再返回鍋爐。
作為本發(fā)明反應裝置中的被反應物質(zhì)，除了木材外，還可以使用含城市垃圾的生物體原料、廢輪胎、煤等含碳的物質(zhì)、甲醇等的低分子醇與油脂，還有PET瓶等的高分子聚合物、PCB、氟里昂、DXN(二噁英)等含有鹵素的物質(zhì)等各種的有機物質(zhì)作為對象。
介質(zhì)流體為水或醇等的質(zhì)子性流體的場合，被反應物質(zhì)是含城市垃圾的生物體資源的場合，利用超臨界水或亞臨界水對生物體進行水解，可以獲得葡萄糖等低分子的糖作為產(chǎn)物。
另外，被反應物是從含城市垃圾的生物體原料、廢輪胎、煤等的含碳物質(zhì)中選出的任一種物質(zhì)的場合，利用超臨界水或亞臨界水對該選擇物質(zhì)進行分解，可以獲得含一氧化碳、二氧化碳、氫及甲烷氣的合成氣。此時，超臨界水成為非常高的溫度時，迅速地進行熱分解，生成上述成分的合成氣，溶解于超臨界狀態(tài)的水中。若將其恢復到低溫，作為合成氣而成為可燃性氣體，故也可把這樣的氣體作為甲醇原料使用。
被反應物質(zhì)是廢食用油等油脂的場合，可以使用超臨界醇或亞臨界醇將油脂進行酯交換反應，獲得酯化合物。
介質(zhì)流體為水或醇等的質(zhì)子性流體的場合，被反應物質(zhì)是PET瓶等的聚酯時，也可以分解成對苯二甲酸或乙二醇等的化學原料進行回收。
被反應物質(zhì)是PCB、氟里昂、DXN(二噁英)等的難分解性含鹵素的物質(zhì)時，也可以分解至無害化。這種情況下，有時也添加氧等的氧化劑或堿等使之分解。
介質(zhì)流體為水或醇等的質(zhì)子性流體時，本發(fā)明的反應裝置如前述，分解生物體獲得的產(chǎn)物為葡萄糖等低分子的糖時，如第12圖所示，通過在氣液分離器26的后方位置設置乙醇發(fā)酵槽232，使用該超臨界水或亞臨界水，可以將高分子糖化后制得的葡萄糖等的低分子類有效地轉(zhuǎn)化成乙醇。即，把氣液分離器26中產(chǎn)物的水溶性成分導入乙醇發(fā)酵槽232，通過酵母、大腸桿菌等菌類的作用生成乙醇。因此，這種情況與過去的超臨界水、亞臨界水或熱水等的處理裝置相比，可以使用低的能量消耗有效地制得乙醇。另外，使用超臨界或亞臨界狀態(tài)的水等的質(zhì)子性流體進行糖化處理的場合，該處理所需要的時間，相對于超臨界水為秒級以下、亞臨界水為數(shù)分鐘～秒的數(shù)量級來說，酶糖化為數(shù)十小時，由于需要非常長的處理時間，因此使用超臨界水或亞臨界水進行糖化的方法，可以用非常短的時間進行處理。
介質(zhì)流體為水或醇等的質(zhì)子性流體的場合，如第13圖所示，可成為在能導入所得產(chǎn)物的水溶性成分的位置設置ABE發(fā)酵槽233代替上述的乙醇發(fā)酵槽232的構(gòu)成。ABE發(fā)酵槽233可以把導入的產(chǎn)物轉(zhuǎn)換成丙酮、丁醇及乙醇。因此可以進行ABE發(fā)酵。本發(fā)明的裝置與過去的超臨界水、亞臨界水或熱水等的處理裝置相比，可以用低的能量消耗有效地獲得丙酮、丁醇、乙醇。
介質(zhì)流體為水或醇等的質(zhì)子性的流體時，本發(fā)明的反應裝置如第14圖所示，通過在氣液分離器26的后方位置設置甲烷發(fā)酵槽234，使用其超臨界水或亞臨界水可將高分子低分子化，把葡萄糖等的低分子有效地轉(zhuǎn)換成甲烷氣。即通過超臨界或亞臨界流體在甲烷發(fā)酵槽234內(nèi)的甲烷發(fā)酵菌的作用下把低分子化的產(chǎn)物轉(zhuǎn)換成甲烷氣。這種情況下，與過去的超臨界水、亞臨界水或熱水等的處理裝置相比，可以用低能量消耗有效地獲得甲烷氣，同時與超臨界水或亞臨界水以外的方式相比，可以用非常短的時間且高速地進行處理以獲得甲烷氣。
以下，對本發(fā)明使用超臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置10的第一實施例進行說明。該反應裝置10使用水作為流體。
在壓縮膨脹機12中壓縮水蒸氣，獲得超臨界水，被反應物質(zhì)進行超臨界水反應時，壓縮結(jié)束時的壓力必須是臨界壓力的22.1MPa以上，且溫度是臨界溫度的374℃以上。被反應物是木粉，對木粉水解獲得葡萄糖等的低分子糖時，壓縮結(jié)束時的壓力越高，越可以抑制生成成分的過度分解，另外，眾所周知，其溫度越高，則反應速度越快。
因此，考慮這些情況，作為通過水蒸氣的壓縮所達到的壓力及溫度，分別選擇25MPa及410℃。這里，考慮木粉的量比水量少時的極限，其影響可以忽略，且假設壓縮中沒有水蒸氣與汽缸的熱交換等，由于熵變化而達到上述的目標點，求得壓縮開始時的濕蒸氣的狀態(tài)。水及蒸氣的熱力學數(shù)據(jù)參見日本機械學會蒸氣表(1980)。
首先，求目標點的比熵s，對假定的壓縮前的壓力可以由飽和水的比熵s’及飽和蒸氣的比熵s”之差(s”-s’)求出與目標的比熵s相等的干度x。第18圖的表表示目標點的狀態(tài)與壓縮前的濕蒸氣在3MPa的情況下計算的結(jié)果。
由該第18圖所示的結(jié)果看出，3MPa的濕蒸氣飽和溫度為234℃，要獲得與目標點相等的比熵，干度x是75.2％，求出干度x時，則由飽和水的比容積v’與飽和蒸氣的比容積v”之差(v”-v’)求得濕蒸氣的比容積v及密度1/v。此外，求得定義為壓縮前的比容積v與目標點的比容積vo之比的壓縮比ε。
從第18圖看出，壓縮比ε是7.3，若把壓縮前的汽缸內(nèi)容積壓縮到1/7.3，則可達到所期望的超臨界水的狀態(tài)。結(jié)果，反應的影響小到可以忽略不計的程度，且可假定為等熵變化，則達到目標點后，通過曲柄機構(gòu)進行膨脹，汽缸內(nèi)的容積為最大，膨脹后返回到與壓縮前相同的狀態(tài)。再者，壓縮前的水蒸氣的壓力為3MPa時，用于使木粉原料的反應容易進行的爆碎中也可以使用該飽和水。另外，壓縮前的壓力大幅度地超過3MPa時，由于飽和溫度高，有不能完全停止反應的可能性。
然后，在壓縮開始前向汽缸內(nèi)只送入飽和蒸氣，作為被反應物質(zhì)的木粉與冷水一起進行噴射，為在汽缸內(nèi)實現(xiàn)木粉的良好均勻分布、同時抑制壓縮中木粉的無用反應的進行，求出在與上述相同條件下所需的冷水量。壓縮結(jié)束完成木粉的均勻混合后，為了達到與濕蒸氣場合相同目標點的超臨界水狀態(tài)，也可以使壓縮前的比焓成為與濕蒸氣場合相同的值。若冷水的比焓為hw’，壓縮前的濕蒸氣的比焓為hs’，此時飽和蒸氣的比焓為hs”，冷水在水及水蒸氣的總質(zhì)量中占的質(zhì)量為y，則由此可以列出以下的關(guān)系式。
y＝(hs” -hs’)/(hs” -hw’)冷水的溫度為50℃，壓縮前的蒸氣壓力為3MPa，由前述的日本機械學會蒸氣表求得必需的值時，y＝0.183。即，應注入的冷水量為總水量的18％，其余的可在飽和蒸氣的狀態(tài)下注入汽缸。
實際的場合中，由于受被反應物質(zhì)的量、反應、水蒸氣與壁面的熱交換等各種的影響，故與上述的理想狀態(tài)變化有偏差，但其偏差并沒那么大，例如即使有不同，也可以適當?shù)貙υO定條件加以修正。
以下，把有關(guān)反應裝置10的能量收支與作為過去的反應裝置的流動式超臨界水反應裝置進行比較說明。作為過去反應裝置的流動式超臨界水反應裝置如第15圖所示，通過使高分散有原料木粉的冷水A與比所期望溫度(例如410℃)高的超臨界水Wb進行混合，成為所期望的超臨界水狀態(tài)，通過用冷卻水Wc將超臨界水急冷，使木粉的反應停止。
以下，計算選為目標點的25MPa及410℃下的過去的流動式超臨界水反應裝置的能量收支。150℃的比焓h150為，h150＝647.7kJ/kg，410℃時h410＝2691kJ/kg。而550℃時h550＝3337kJ/kg。計算，假設流過150℃的冷卻水時，通過流入大約冷水的3.165倍量(對150℃的冷水1kg混入的550℃的超臨界水量為akg，由比焓的計算式h410(1+a)＝h150+h550a換算)的550℃超臨界水進行混合，達到目標點的超臨界狀態(tài)。然后進行設定，使超臨界水利用冷水冷卻到150℃，停止反應。
如上所述，過去的裝置由于通過添加冷水使反應停止，冷水的3.15倍量的550℃超臨界水必然浪費h550×3.165＝10560kJ/kg的能量，但是，由于把常溫的冷水加熱到150℃，故可以使用一部分冷水。因此，如第16圖所示，過去的流動式超臨界反應裝置中，從10560kJ/kg減去h150＝648kJ/kg部分的β19910kJ/kg成為能量損失。
另一方面，在選作目標點的25MPa及410℃的本發(fā)明的反應裝置10的能量收支計算，把常溫的冷水加熱到3MPa、234℃，通過反應膨脹機的壓縮使這時的濕蒸氣達到目標點(25MPa、410℃)。然后進行設定，利用膨脹冷卻超臨界水，再一次變成234℃。3MPa、234℃、干度0.752的濕蒸氣的焓為2357kJ/kg，在410℃下h410＝2691kJ/kg。由第17圖看出，濕蒸氣的比焓(2691kJ/kg)中能量基本上被回收，僅僅是伴隨木粉的化學反應的不可逆變化即汽缸內(nèi)液體與汽缸壁面之間的熱交換、活塞與曲柄機構(gòu)等的摩擦等的輕微部分成為能量不可逆損失部分。
反應機的壓縮功，對比內(nèi)部能u來講，由u＝h-pv(h比焓、p壓力、v比容積)的關(guān)系算出是313kJ/kg(水與蒸氣的熱力學數(shù)據(jù)參見日本機械學會蒸氣表(1980))。通過膨脹壓縮功基本上被回收，但反應、熱損失、摩擦等產(chǎn)生不可逆損失部分，該損失部分由動力發(fā)生機補給。該機械上的不可逆損失部分，若反應機與動力發(fā)生機的功損失合計為28％，則大約是122kJ/kg。因該損失部分由動力發(fā)生機補給，故動力發(fā)生機的理論熱效率為33％時，動力發(fā)生機需要大約370kJ/kg的熱。因此，反應機與動力發(fā)生機中的能量損失部分β’為370kJ/kg，只不過是過去的流動式反應裝置的9910kJ/kg的1/27。另外，反應裝置10是負載爆碎機的裝置，但有關(guān)爆碎機的能量，不論是反應裝置10還是流動式反應裝置均不變，故從能量收支計算省去這部分。
如上所述，反應裝置10與過去的流體式反應裝置相比較，能量損失部分非常少，其可動所需的能量消耗量極小。
作為本發(fā)明裝置中的流體，有關(guān)水以外的流體也可以形成超臨界狀態(tài)。例如，有二氧化碳、氧化亞氮、氟里昂12、氟里昂13、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、己烷、甲醇、乙醇、苯、甲苯、氨等。這些各種物質(zhì)的臨界條件數(shù)據(jù)示于第19圖。
本裝置可在臨界溫度壓力高的水中實現(xiàn)超臨界狀態(tài)。由第19圖的臨界條件數(shù)據(jù)來看，氟里昂12的臨界溫度、臨界壓力條件比水低，所以作為介質(zhì)流體使用氟里昂12的場合，本發(fā)明的裝置可以實現(xiàn)充分的超臨界狀態(tài)。
作為本發(fā)明的第二實施方案，介質(zhì)流體為氟里昂12的場合，有關(guān)氟里昂12的目標點的狀態(tài)為溫度130℃、壓力4.9MPa，把0.7MPa情況下計算壓縮前的濕蒸氣的壓力的結(jié)果示于第20圖。氟里昂12的熱力學數(shù)據(jù)參見日本冷凍協(xié)會R12冷媒熱物性值表(1981)。
由第20圖可知，就前述流體來講，與水的場合同樣，只要求出壓縮壓力ε＝6.4，壓縮到壓縮前的6.4/1，則可達到所期望的超臨界流體的狀態(tài)。此外，達到目標點之后，通過曲柄機構(gòu)進行膨脹，汽缸內(nèi)的容積成為最大，膨脹后恢復到與壓縮前相同的狀態(tài)。
本發(fā)明的反應裝置10，在選作目標點的4.9MPa、130℃下的能量收支，設定常溫的氟里昂12加熱到0.7MPa、40.0℃，通過反應機的壓縮使?jié)裾魵膺_到前述目標點，其后通過膨脹，超臨界流體被冷卻，再一次變成40.0℃。這種情況下濕蒸氣的比焓中能量基本上被回收，只是伴隨化學反應的不可逆變化即汽缸內(nèi)液體與汽缸壁面之間的熱交換、活塞與曲柄機構(gòu)等的摩擦等輕微的部分成為能量不可逆損失部分。這樣，通過膨脹，壓縮功被回收，但反應、熱損失、摩擦等作為不可逆損失部分產(chǎn)生，該損失部分由動力發(fā)生機補給。
本發(fā)明裝置的反應機以及動力發(fā)生機中的能量損失部分，由于流體即使是氟里昂12，也比過去的流動式反應裝置的值少得多，所以要運轉(zhuǎn)本發(fā)明裝置所需要的能量極小。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，本發(fā)明的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置從構(gòu)成來看有以下的效果。
本發(fā)明的使用超臨界水或亞臨界水的有機物質(zhì)等的反應裝置，由于利用活塞、旋轉(zhuǎn)或渦輪壓縮機與渦輪，由壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段、使該超臨界流體或亞臨界流體與有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段、使含該化學反應所生成的生成物的流體膨脹后減壓的手段、以及使被反應物質(zhì)與液體狀的流體一起噴入反應機內(nèi)的手段構(gòu)成，所以不使用低溫的液體(流體為水的場合，是冷水)，可以將高溫高壓流體中的被反應物質(zhì)的高速反應進行冷卻，使反應急速停止(凍結(jié))。
通過調(diào)節(jié)活塞的上下運動或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動的速度、或者通過調(diào)節(jié)渦輪壓縮機與渦輪機連接的反應容器的容積，可在短時間內(nèi)中斷超臨界流體或亞臨界流體等的高溫高壓流體中的高速反應，進行反應的控制。
這些手段通過采用使超臨界或亞臨界的高溫高壓流體膨脹的方法降低溫度和壓力，把使反應停止時膨脹的功再一次用于壓縮蒸氣的功，可以回收生成超臨界或亞臨界的高溫高壓流體所需要的能量。利用該回收的能量，可以提供超臨界或亞臨界的高溫高壓狀態(tài)下的化學反應能量極高的裝置。
對往復式或旋轉(zhuǎn)式反應機的反應機構(gòu)在掃氣閥和導入口的流路上分別設置流路切換閥等的開關(guān)部分，通過形成在關(guān)閉這些開關(guān)部分時可以連續(xù)反復處理被反應物質(zhì)一定時間的構(gòu)成，或者形成設置多個往復式或旋轉(zhuǎn)式反應機的構(gòu)成，即使是對必須分鐘單位處理的被處理物質(zhì)，也可以確保有效的處理時間。因此可以用簡單的構(gòu)成提高反應的生產(chǎn)效率。尤其是成為在活塞的兩側(cè)由前述往復式的汽缸與活塞進行流體的蒸氣壓縮的容積的構(gòu)成的復動式時，可以使反應能率提高。
前述往復式或旋轉(zhuǎn)式的反應機為周期性地進行被反應物質(zhì)反應的周期性處理，而渦輪型連續(xù)地供給被反應物質(zhì)，可連續(xù)地進行這種化學反應。
流體為水等的質(zhì)子性流體的場合，被處理物質(zhì)為木質(zhì)原料等的有機生物體時，可以使該有機系生物體向低級糖等進行低分子化(可溶化)。此外，通過使這種低分子化物進行乙醇發(fā)酵、ABE發(fā)酵以及甲烷發(fā)酵，可以有效地轉(zhuǎn)換成可用作燃料等的液體成分或氣體成分。作為這種氣體成分，例如，為甲烷氣的場合，還可以供給甲醇合成裝置或氣體發(fā)動機再進行利用。
權(quán)利要求
1.使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，由壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段，使該超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段及使含該化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段構(gòu)成。
2.權(quán)利要求1所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段、使超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段、及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段，由汽缸與設在該汽缸中的活塞構(gòu)成，通過使該活塞運動壓縮流體，化學反應結(jié)束后，通過使活塞向相反的方向運動，降低溫度和壓力，從汽缸中取出含所得產(chǎn)物的流體，向汽缸中噴入新的蒸氣，從而周期性地運轉(zhuǎn)。
3.權(quán)利要求2所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，通過使活塞運動，只在汽缸內(nèi)的一側(cè)壓縮蒸氣。
4.權(quán)利要求2或3所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，只是向汽缸中噴入的新蒸氣作為流體的飽和蒸氣，在活塞的壓縮開始時或壓縮中或壓縮結(jié)束后，將流體的飽和液或冷流體與被反應物質(zhì)一起注入汽缸。
5.權(quán)利要求2或4所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，把汽缸與活塞所形成的進行蒸氣壓縮的容積設在活塞的兩側(cè)。
6.權(quán)利要求5所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，在活塞的兩側(cè)設壓縮膨脹機，在各個壓縮膨脹機上設噴射器(原料噴射裝置)。
7.權(quán)利要求2-6的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，在設于活塞兩側(cè)的由汽缸與活塞所形成的進行蒸氣壓縮的容積的一方壓縮流體的濕蒸氣，另一方的容積使流體蒸氣保持在高壓。
8.權(quán)利要求2-7的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，在由汽缸與設于該汽缸上的活塞構(gòu)成的機構(gòu)中回收活塞的功。
9.權(quán)利要求1所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，壓縮流體蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段，使超臨界流體或亞臨界流體與有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段，及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段，由轉(zhuǎn)子室與設于該轉(zhuǎn)子室的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，通過在轉(zhuǎn)子室內(nèi)使該轉(zhuǎn)子進行偏心旋轉(zhuǎn)，壓縮蒸氣，在前述的化學反應后，通過再使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，降低溫度和壓力，從轉(zhuǎn)子室內(nèi)取出含所得產(chǎn)物的流體，并向轉(zhuǎn)子室內(nèi)噴入新的蒸氣，從而周期性地運轉(zhuǎn)。
10.權(quán)利要求1所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段，使超臨界流體或亞臨界流體與有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段，及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段，由渦輪壓縮機和直接連接于該渦輪壓縮機的渦輪構(gòu)成，通過使渦輪壓縮機運轉(zhuǎn)，壓縮蒸氣，在化學反應結(jié)束后，通過渦輪降低溫度和壓力，將取出含所得產(chǎn)物的流體的渦輪與渦輪壓縮機直接連接，回收動力。
11.權(quán)利要求1-10的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置使用旋風分離器或離心分離機將含化學反應所得產(chǎn)物的流體分離成飽和物和飽和蒸氣的手段。
12.權(quán)利要求1-11的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置使被反應物質(zhì)在浸入高壓飽和流體的狀態(tài)下迅速除壓的爆碎裝置，用該爆碎裝置將有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)微細化。
13.權(quán)利要求1-12的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，在汽缸或轉(zhuǎn)子室和這些汽缸的活塞或轉(zhuǎn)子室的轉(zhuǎn)子構(gòu)成的機構(gòu)中的掃氣閥及導入口分別設流路切換閥等的開關(guān)部分，同時，使得可以設定這些開關(guān)部分的開關(guān)狀態(tài)，每隔一定時間通過設定使這些開關(guān)部分關(guān)閉，連續(xù)不斷地進行利用該機構(gòu)的超臨界處理。
14.權(quán)利要求2-12的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置多個由汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機與這些汽缸的活塞、轉(zhuǎn)子室的轉(zhuǎn)子或渦輪壓縮機的渦輪構(gòu)成的機構(gòu)。
15.權(quán)利要求14所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，利用流路切換閥等的開關(guān)部分順序地連接通往多個汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機與這些的活塞、轉(zhuǎn)子或渦輪構(gòu)成的機構(gòu)中的各汽缸、各轉(zhuǎn)子室或各渦輪壓縮機的蒸氣的導入部分及掃氣部分，從而可以多次進行由壓縮蒸氣獲得超臨界流體或亞臨界流體的手段、使超臨界流體或亞臨界流體與有機物等的被反應物質(zhì)接觸進行化學反應的手段以及使含化學反應所生成產(chǎn)物的流體膨脹后減壓的手段構(gòu)成的各過程。
16.權(quán)利要求1-15的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置可以向存在于汽缸、轉(zhuǎn)子室或渦輪壓縮機與渦輪之間的高壓反應器內(nèi)噴入氧化劑的氧化劑噴射裝置，在超臨界狀態(tài)下將導入的有機物等的被反應物質(zhì)進行氧化分解。
17.權(quán)利要求1-16的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置把產(chǎn)物的流體混合物中分離出的飽和蒸氣再分離成氣體成分與蒸氣成分的氣化裝置。
18.權(quán)利要求1-16的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，被反應物質(zhì)是含城市垃圾的生物體原料，產(chǎn)物是分解生物體所得的葡萄糖等的低分子糖等。
19.權(quán)利要求1-18的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置導入分解生物體所得葡萄糖等低分子糖等的產(chǎn)物的液體成分的具有酵母、大腸桿菌的乙醇發(fā)酵槽，利用前述酵母、大腸桿菌等將導入該乙醇發(fā)酵槽中的糖轉(zhuǎn)換成乙醇。
20.權(quán)利要求1-18的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置導入分解生物體所得葡萄糖等的低分子糖等的產(chǎn)物的液體成分的具有ABE發(fā)酵菌的ABE發(fā)酵槽，利用ABE發(fā)酵菌將導入ABE發(fā)酵槽中的糖轉(zhuǎn)換成丙酮、丁醇及乙醇。
21.權(quán)利要求1-20的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，設置導入分解生物體所得產(chǎn)物的氣體成分的具有甲烷發(fā)酵菌的甲烷發(fā)酵槽，利用甲烷發(fā)酵菌把導入甲烷發(fā)酵槽中的產(chǎn)物的糖分解成甲烷氣。
22.權(quán)利要求1-16的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，被反應物質(zhì)是從含城市垃圾的生物體原料、廢輪胎、煤等含碳的物質(zhì)中選出的任一種物質(zhì)，產(chǎn)物是分解前述選擇物質(zhì)所得的含一氧化碳、二氧化碳、氫及甲烷氣的合成氣。
23.權(quán)利要求1-16的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，被反應物質(zhì)是PET瓶等的高分子聚合物，產(chǎn)物是高分子聚合物材料的原料物質(zhì)。
24.權(quán)利要求1-16的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，被反應物質(zhì)是廢食用油等的油脂，利用超臨界流體或亞臨界流體將這些油脂轉(zhuǎn)換成脂肪酸酯。
25.權(quán)利要求1-16的任一項所述的使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，其特征在于，被反應物質(zhì)是PCB、氟里昂、DXN(二噁英)等的含氯物質(zhì)，分解被反應物質(zhì)，進行無害化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用超臨界流體或亞臨界流體的有機物質(zhì)等的反應裝置，可在均勻的狀態(tài)下向反應機中注入有機物質(zhì)等的被反應物質(zhì)而在該注入部分不產(chǎn)生堵塞，同時可以高效且工業(yè)化運轉(zhuǎn)。該反應裝置的反應機(12)由汽缸(12a)與設于該汽缸(12a)中的活塞(12b)構(gòu)成。通過使活塞(12b)運動，壓縮流體的蒸氣，獲得超臨界流體或亞臨界流體，在被反應物質(zhì)的化學反應結(jié)束后，使活塞(12b)向相反方向運動，降低溫度和壓力，使反應停止，從汽缸(12a)中取出所得的生成物，同時向汽缸(12a)中噴入新的流體蒸氣，從而可以周期性地運轉(zhuǎn)。
文檔編號C10L3/06GK1625437SQ0280608
公開日2005年6月8日 申請日期2002年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月7日
發(fā)明者池上詢, 川邊研 申請人:洋馬株式會社, 坂志朗, 池上詢