JPH04190842A - 超臨界または亜臨界流体用高温高圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 超臨界状態または亜臨界状態にある溶媒は有機溶質や無
機溶質等の溶質に対して優れた溶解能力を発揮すること
が知られている。この現象を利用して形成された超臨界
または亜臨界高濃度溶液から、圧力制御または温度制御
によって、■溶質を析出させ、■単結晶を育成し、■物
質の抽出、分離を行い、■微粒子を製造し、或は■その
他各種反応や処理を行うこと等が検討されている。本発
明はこれらの諸操作を行う為の高温高圧装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来用いられている高温高圧装置には、上記した温度制
御を行うための加熱機構が付加されているが、この加熱
機構は高圧室の外部から高圧容器全体を加熱し、容器に
与えられた熱量によって高圧室内の流体を加熱する所謂
外熱式である。その為以下に述べる様な問題があるとさ
れている。

（１）高圧容器は一般に厚肉・大型であるため熱容量が
大きく、加熱に長時間を要する。その為内部流体を所定
温度に高める迄の時間は更に長くなり、溶質の溶解量を
所定値に到達させる迄の時間は相当に長いものとならざ
るを得ない。

（２）高圧容器は大型のものになると外径１ｍ以上、全
長（高さ）１０ｍ以上にも達するものがあり（水晶の水
熱合成の場合）、内部温度を自由に設定することは極め
て困難である。特に厚肉であるため長さ（高さ）方向へ
の伝熱量が大きく、長さ（高さ）方向に正確な温度差を
与えることは一層困難である。

例えば図９は水晶の水熱合成に利用される装置を示す概
念図であり、縦型高圧客器１の下方は溶質保持部３であ
って、くず水晶４が収納されている。そしてバッフル５
をはさんで上方は超臨界流体または亜臨界流体等の溶媒
（図では水６）が充満された流体貯留部２を構成し、且
つ該流体貯留部２には水晶の種結晶７が収納されている
。

上記の様に構成された高圧容器１は内部圧力が１４００
気圧にも達する高圧に制御された上、全体が加熱炉８内
にすっぽり収納され、溶質保持部３をくず水晶４の溶解
に必要な温度（約４００℃）に加熱する。一方種結晶７
の収納されている流体貯留部２の温度は種結晶７を〜溶
解しない温度であって流体６中の溶質（水晶）が析出す
る温度てなければならず、例えば約３６０℃に調節され
る。この様な温度勾配を与えると、溶質保持部３でくず
水晶４を溶解した流体６は対流によって上昇しバッフル
５を通して流体貯留部２に入り、ここで冷却されて種結
晶７上に水晶を折比する。こうして冷却された流体６は
再び下降し、溶質保持部３に入って４００℃に加熱され
くず水晶４を溶解する。これらの説明から明らかである
様に高圧容器１内には長さ方向（図では高さ方向、以下
軸方向と言うことがある）に正確な温度差が形成されな
ければならないが、加熱炉８の様な外部加熱方式ではそ
の様な温度制御は極めて困難である。

（３）例示した水晶の水熱合成装置を運転する場合にお
ける圧力制御は、バルブの操作によって圧力を上昇・下
降させようとするものではなく、容器１の高圧室内容積
（但しくず水晶４の体積を差し引いた後の空間体積）に
対する溶媒の充填率を定めておき、溶媒を充填した後密
封し、加熱（温度制御）によって高圧室内の圧力を高め
る方法（圧力制御法）が採用されている。即ち圧力は温
度によって間接的に制御されている。しかるに前項で述
べた様に上記従来技術では温度制御の精度が不十分であ
ると共に、大型容器内において温度差を設けることが要
求されており、従って容器内の圧力を温度によりて厳密
に設定することは至難と言わなければならない。その様
な事情があるため、最初に計画された通りの制御を行う
ことに失敗すると、高圧容器の温度をいったん下げても
う一度やり直しをしなければならないことになり、この
為の時間とエネルギーは膨大なものとなる。

（４）加熱手段が外気中に置かれているため、たとえば
加熱炉の放熱面積が大きくなり、その分熱効率は低いも
のにならざるを得ない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであっ
て、前記（１）〜（４）の様な欠点を生じない加熱手段
を備えてなる超臨界（亜臨界を含む、以下同じ）流体用
高温高圧装置を提供しようとするものである。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成することのできた本発明の＆温高圧装置
とは、有機溶質または無機溶質等の溶質保持部と、該溶
質を溶解した超臨界流体貯留部を備えたものにおいて、
前記溶質保持部に加熱部材を設けると共に、前記高温高
圧装置の外部には前記加熱部材への投入熱量調整部材を
設け、該投入熱量調整部材と前記加熱部材を気密下に連
結してなることを要旨とするものである。

［作用］ 前記構成からなる本発明装置によれば、溶質保持部に加
熱部材が設けられているので、該溶質保持部を直接加熱
することができる。即ち従来の様に高圧容器全体を加熱
する必要がないので所要熱量を大幅に節減することがで
きると共に温度制御が短時間でなされる。また該加熱部
材への投入熱量調節部材が高温高圧装置の外部に設けら
れ、これらが気密下に連結されているので、高圧室の圧
力保持に悪影響を与えることなしに外部から自在に温度
調節を行なうことが可能となり、精密な温度制御によっ
て諸操作を行い得る様になった。

［実施例］ 図１は本発明の概念を備えた代表的な実施例装置を示す
説明図であり、断熱材層１２によって被覆保護された縦
型の高圧容器１は、その内部である高圧室がバッフル５
を介して溶質保持部３と溶質を溶解した流体の貯留部２
に分けられている。

保持部３内には未溶解の溶質４が収納されると共に、本
発明の特徴である加熱部材（図では抵抗加熱型電気ヒー
タ）１０が収納されている。そして電気ヒータ１０の両
端子は導線を介して高圧容器１の壁を気密的に貫通して
外部へ引出され、投入熱量調節部材１３に連結される。

図中１４は各所に設けられる測温センサーであり、その
測温値を用いて投入熱量の制御を行うが、その出力端子
を前記投入熱量調節部材１３に電気的に連結して自動的
にフィードバック制御できる様に構成しても良い。尚１
５は流体出入口を示し、１１および１６は容器１全体を
加熱するためのヒータであり、容器１内の流体温度を制
御するときの補助手段となり得る。

抵抗加熱型電気ヒータ１０を用いる場合は図２に示す様
なシース形とすることが推奨される。即ちインコネル等
の耐熱・耐圧性素材で形成されたシース管１７内にジル
コニア粉、マグネシア粉等からなる絶縁体１８を充填す
ると共にヒータ素線１９を絶縁的に貫挿し、冷却水通路
２０を備えた保持部材２１および取付ボルト２２を介し
て高圧容器１の底部に取付けられる。口側では保持部材
２１の先端にテーパーシール面２３を形成して高圧容器
１側のテーパーシール面に当接し、更に溶接部２４を形
成して容器内の気密性を保証している。また図１，２で
は高圧容器１の底部側壁面を貫通して挿入する様に構成
したが、側壁面或は天井壁面を貫通して挿入する様に構
成することもてきる。

加熱部材としては熱交換器形ヒータを用いることもでき
、図３は多管式熱交換器２５を設ける場合、図４はスパ
イラル管式熱交換器２６を設ける場合を夫々示す。或は
これらを適宜組合わせたり、図１のヒータ１１の様に流
体貯留部２にも同様の構成で配設して高圧室内の温度分
布制御を更に緻密に行う様にすることも本発明の技術的
範囲に包含される。尚断熱層１２中に設けたヒータ１６
は高圧容器１を所定温度の近傍まで予熱したり、或は該
温度を維持する上で有効であり、運転起動時間の短縮や
処理温度の安定性を補助するために設ぼることが推奨さ
れる。

測温センサーの構成は特に限定されないが、−般的には
熱電対式或は抵抗線式が利用される。いずれの場合にあ
っても、流体との電気的絶縁を保証するために電気ヒー
ター１０の場合と同様の構成（図２参照）を採用するこ
とが推奨され、また高圧容器壁面を通して容器外に取出
す為に図２と同様の構成を採用することもできる。

溶質保持部３はバッフル５によって仕切る構成に限定さ
れず、柔軟な鋼材で溶質をくるんだり、溶質を適当なか
ごに収納する様な構成にしても良く、要はヒーター１０
等の熱量によって溶質が流体に溶解し、且つ該溶解状態
の流体が流体貯留部２に移動するのを妨げないものであ
れば全て本発明において採用可能である。尚ｍＷは固体
状のものに限定されず、例えは油の様な液体であったり
スラリー状のものであっても良い。

ｍ質保持部３においてヒーター１０で加熱され溶質を溶
解した流体は温度の上昇に伴って上昇流を形成し流体貯
留部２に移行し、一方流体貯留部２に存在していた流体
は下降してここに対流が起こる。対流の程度は各ヒータ
ー１０，１１．１６による温度制御によってコントロー
ルされる。上昇した流体は貯留部２において温度が下が
り、溶解されていた溶質は過飽和となって図示しない種
結晶上に析出し、ｎｌ、：精製された水晶が製造される
。

図５１図６は本発明装置の他の実施例を示すものであり
、図５では高圧容器１と同軸に筒体２７を配置し、溶質
保持部３を筒体２７の下部に収納している。従って溶質
保持部３で加熱され溶質を溶解した流体は筒体２７内部
を上昇し、筒体２７内の上部側に存在していた流体は押
出される様に筒体２７の周壁を越えて筒体２７の外部へ
移行し、筒体２７の外部を下降する。従って筒体２７の
内部が流体の上昇通路、外部が流体の下降通路となる。

図６の筒体２８は下部の溶質保持部３のみを広くし、上
方を狭くして煙突状の外観を与えたものである。従って
流体の上昇通路が狭くなり、下降通路が広くなる。

この様な筒体２７，２Ｂを設ける構造の場合は、図１の
構造に比べて対流の通路が特定される為、対流そのもの
が安定するだけでなく、例えば図７に示す様な弁棒２９
を設け、その上下動によフて上昇通路の上部開口を広く
、または狭く制御する様な構成を付加すれば、対流の流
量が温度制御以外の手段でも補助的にコントロールされ
ることとなる。

図８は更に他の実施態様を示す図であり、高圧容器をｌ
ａ、ｌｂの２つで１組とし、高圧容器１ａを溶質保持部
３側、高圧容器１ｂを流体貯留部２側としたものであり
、更に各容器１ａ、ｌｂの上部を連結し、上部側連通路
２９を昇温流体の通路、下部側連通路３０を降温流体の
通路としている。従って各部の温度制御はより精密なも
のとなり、超臨界流体を用いる化学的操作性は一層高い
ものとなる。

［発明の効果］ 本発明は上記の様に構成されているので、以下整理する
様な効果が得られる。

（１）溶質保持部を直接的に加熱することになるので溶
質の溶解所要時間が短縮される。

（２）高圧容器の外部から温度制御できるので、従来の
様に容器全体を加熱してしかも内部に所定の温度差を形
成していた場合に比へて比較的ラフな温度制御であって
も高圧容器内部の温度制御精度は非常に高くなる。

（３）温度制御の容易性および正確性は高圧容器内の圧
力制御の容易性および正確性につながる。

（４）高圧室内に良好な対流を形成できる様になったの
で、従来であれば高圧室内に攪拌機を設番す、且つ挿入
スペース、材質、シール性といった課題を克服しなけれ
ばならなかったのと比較すると、設備コスト等の面で大
封な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

図１．５．６．８は本発明装置の各実施例における全体
概念を示す説明図、図２はヒーターの取付構造を示す説
明図、図３．４は加熱部材の他の実施例を示す説明図、
図７は弁棒による対流制御の原理を示す説明図、図９は
従来装置の全体概念図である。 １・・・高圧容器　　　　２・・・流体貯留部３・・・
溶質保持部　　　４・・・溶質５・・・バッフル　　　
　１０．１１．１６・・・ヒーター１３・・・加熱制御
器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有機溶質または無機溶質を超臨界流体または亜臨界流体
   に溶解せしめるために、前記有機溶質または無機溶質等
   への溶質保持部と、これらの溶質を溶解した前記超臨界
   流体または亜臨界流体の流体貯留部を備えてなる超臨界
   または亜臨界流体用高温高圧装置において、前記溶質保
   持部に加熱部材を設けると共に、前記高温高圧装置の外
   部には前記加熱部材への投入熱量調整部材を設け、該投
   入熱量調整部材と前記加熱部材を気密下に連結してなる
   ことを特徴とする超臨界または亜臨界流体用高温高圧装
   置。