很早，作为对生物体等的有机物质进行物理化学的分解反应方法， 如特公平1-38532号公报所公开的，提出了使用超临界流体的分解处理 方法来代替已知的药品氧化法、光氧化法、燃烧法、热水反应法。
有机物质等使用这种超临界流体的分解处理方法，与反应条件为 200-300℃的低温条件的热水反应法不同，是使用超过水的临界温度374 ℃、临界压力218个大气压条件下的超临界水对有机物质等的被反应物 质进行分解。这种超临界水具有许多优点，例如其极性可以用温度和压 力控制，链烷烃系烃或苯等的非极性物质也可以进行溶解，另外，作为 与氧等的气体以任意的比例进行混合的这种有机物氧化分解用的反应溶 剂显示出极好的性能。此外，分解对象物的碳含量是百分之几，只靠氧 化热便可升温到临界温度以上，故热能利用非常好，另外，使用超临界 水可以将通过水解反应或热分解反应几乎难分解的有机物或有毒有机物 等大致完全分解等。
使用以往超临界流体的方法按照以下的流程进行。即，在将含有机 物质等的被反应物质的水、氧等的氧化剂流体及超临界流体这三种流体 预先混合状态或部分混合状态下，供给进行超临界水氧化反应的反应容 器。在水的超临界条件下通过氧化过程将对象物进行分解。此外，通过 氧化反应还可以处理成一氧化碳或氢等。
使用以往超临界流体的反应装置，都是把流体加压后进行加热使流 体成为超临界状态或亚临界状态的高温高压的状态，由此而进行反应， 因此，使流体成为高温高压状态时需要大量的能量。
对超临界流体或亚临界流体的高温高压的流体，作为降低加压时的 能量的方法，有采用管路系统的连续式高压釜的开发(山崎仲道等著， 《水热科学实验所报告》，Vol.3，1-4(1979))。这种方法是使用活塞和 汽缸回收处理后的高温高压流体的压力，利用与回收用的另外的活塞连 动的活塞和汽缸，降低对加压前的流体进行加压时的能量。
为了降低对超临界流体或亚临界流体的高温高压流体加压时的能 量，也有使用特开2000-233127号公报公开的装置的方法。该装置使用 汽缸中的活塞接收处理后的高温高压流体的压力，作为对处理前流体进 行加压用的力进行传导的第1驱动手段上又设加载驱动力的第2驱动手 段。即，处理后的高压流体的能量，在利用背压阀降低后导入前述第1 驱动手段中的汽缸。因此，是使含被反应物质的流体变成高温高压后稳 定地供给反应体系的装置。
另外，超临界流体或亚临界流体因为是高温高压，流体中的分解反 应等非常快。因此，必须缩短在超临界流体或亚临界流体中处理被反应 物质的时间，使超临界流体或亚临界流体中的高速反应迅速停止。
作为利用超临界流体或亚临界流体的高温高压流体缩短在短时间内 处理被反应物质时间的方法，有利用纤维素水解用连续反应装置(M.Sa saki，B.Kabyemela，R.Hilaluan  S.Mirose，N.Takeda，T.Adschiri，K.Arai； 亚临界和超临界水中的纤维素水解，J.Supercrit.Fluids 1998.13.261-268)的方法。该方法是流动型反应装置，采用以下的流程 进行被反应物质的处理。即，在反应器的入口附近使被反应物质与加热 加压到规定条件的超临界水迅速升温到直接混合为目的的最佳反应温 度。另外，通过在反应器的出口向反应液直接喷入冷水进行外部冷却的 方法进行急冷。这种情况下，通过缩小反应器的容积或提高流速，可以 缩短在超临界水中处理被反应物质的时间。
然而，目前还没有可以回收能量、且使用超临界流体在极短时间内 处理被反应物质、同时可以使用前述以往的超临界流体有效地实施有机 物质等的反应、进行高温高压流体的超临界状态操作用的工业化装置。
有机物质等使用以往超临界流体的反应装置，例如，被反应物质是 木粉等有机物质的场合，迅速将分散有机物质的高压水加热，将超临界 或亚临界状态保持一定时间，通过该超临界或亚临界状态的水解反应， 可进行使木粉等的有机物质向葡萄糖等低分子糖转化的糖化反应。为了 防止该糖化反应结束后生成的低分子糖类再分解，必须将高温的超临界 水或亚临界水进行急冷停止反应。该糖化反应也可以使用间歇型及流动 型的任一种装置进行。以前的反应装置提出了使用流动型进行反应时， 高温超临界水状态的实现使分散木粉的低温超临界压水与高温的超临界 水混合进行反应。另外，为了停止该反应，采用注入冷水的过程的装置。
但是，这种以前的反应装置，要进行上述的各过程，还存在以下的 诸问题。
(1)要构成装置必须有顺序导入水的加压、加热、反应、冷却及减 压器，因此装置构成整体来讲变得复杂。
(2)为了缩短木质等有机物质糖化反应的时间，必须混合冷水停止 反应。若延长反应时间，则被反应物过度分解后不能得到糖。
(3)因此通过使用冷水急冷停止反应，故水使用量增多。因此，反 应后浓缩糖的规模大。
(4)因为使用冷水的冷却过程，因此能量消耗大。
(5)很难用高压水使木质等的有机物质在同样地分散的状态下分 布。
因此，本发明的目的在于提供可在均匀状态下将有机物质等的被反 应物质注入反应器、可以用极短的时间对被反应物质进行超临界流体处 理、同时能量效率高且可工业运转的使用超临界流体或亚临界流体的有 机物质等的反应装置。

为了达到上述的目的，本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有 机物质等的反应装置，其特征在于，由压缩蒸气获得超临界流体或亚临 界流体的手段，使该超临界流体或亚临界流体与有机物等的被反应物质 接触进行化学反应的手段，以及使含该化学反应所生成产物的流体膨胀 后减压的手段构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置的 压缩蒸气获得超临界流体或亚临界流体的手段，使超临界流体或亚临界 流体与有机物等的被反应物质接触进行化学反应的手段，以及使含化学 反应所生成产物的流体膨胀后减压的手段，由汽缸与设在该汽缸上的活 塞构成，通过使该活塞运动压缩蒸气。化学反应结束后，使活塞向反方 向运动，降低温度和压力，从汽缸中取出含所得产物的流体并向汽缸中 喷入新的蒸气而周期性地运转。
这里，上述的汽缸与活塞是往复式的反应机，在功能上是与柱塞在 汽缸内往复运动的柱塞式反应器完全相同的物理形式的装置。本发明的 反应装置通过活塞在汽缸中的运动，在同一个汽缸内进行加压、加热、 反应、冷却及减压。因此，可以使整个装置简化。
本发明的反应装置，使用活塞将导入汽缸中的蒸气进行绝热压缩， 实现流体的超临界或亚临界状态。然后，再驱动活塞，使流体绝热膨胀， 对该流体的超临界或亚临界状态进行冷却。此时，通过使活塞的上下运 动变换成旋转运动等调节其速度，可以在极短时间内中断超临界或亚临 界流体中的反应，抑制被反应物质的过度分解，不混合低温的液体(流 体是水时，为冷水)而可以迅速停止反应(冻结)。其结果，由于不使用 低温的流体，所以可以高度确保所得反应产物糖等的浓度。
此外，通过使活塞绝热膨胀的功变换成旋转运动等，可以再用于再 次绝热压缩用的功，在秒单位以下的极短时间内中断被处理物质的反应 时，可以使用少的能耗进行处理。
在本发明装置内实现的超临界流体的温度压力条件，可以利用流体 的压缩比、导入的饱和蒸气的温度、液体(流体是水时，为水)的添加 量自由地控制。而且，被处理物质向反应装置中的导入，由于在流体的 饱和蒸气导入汽缸内的阶段或蒸气的压缩中使用喷嘴与液体一起通过高 压喷射进行，所以可以使被处理物质均匀分散地导入反应装置。
本发明的反应装置中，作为获得超临界状态的流体，例如，除了水 外，还可列举二氧化碳、氧化亚氮、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、氨等其他多种多样 的物质。
本发明反应装置中的蒸气是上述各种物质中的任一种流体的蒸气， 可以利用锅炉等获得。在导入该流体蒸气的反应装置内的压缩作用下成 为超临界状态。由于该压缩，在活塞的上死点附近短时间产生所期望的 超临界或亚临界状态的高温高压流体。通过该高温高压流体与被反应物 质的接触，使被反应物质发生水解反应等，因此可以将被反应物质进行 分解等。
该反应所需要的超临界或亚临界状态的高温高压流体与被反应物质 的接触时间，依流体达到的温度、压力而不同，但大多数是数分钟到数 秒以下的极短时间。本发明的反应装置，例如，活塞在反应机内一行程 中的大约1/20作为所期望的温度压力以上，其存在时间为0.01秒时， 是大约300rpm。因为这是使用相同机构发动机可充分实现的旋转数，所 以可以充分实现秒单位以下的处理时间。另外，通过使相同被反应物反 复进行反应，也可以充分实现数分钟单位的反应。
本发明反应装置中流体的超临界条件，包含超临界流体和亚临界流 体。例如，超临界流体是温度及压力都处于超临界状态的情况，而亚临 界流体是温度或压力的任一个是超临界条件的情况，是表示比超临界状 态温和的条件。因此，关于反应条件，对超临界流体和亚临界状态的选 择，要根据被反应物质的种类及反应产物的种类等适当地选定。
本发明反应装置中反应机的高温高压流体，如前所述，通过其后活 塞等所导致汽缸容积等的急速膨胀而迅速地被冷却。通过该迅速冷却， 被反应物质的化学反应被冻结(强制停止)。该反应的冻结也与前述的压 缩过程同样地在极短时间内进行。此外，在活塞的下死点附近，产物与 蒸气一起从反应机内排出。
本发明的反应装置，通过驱动活塞可以成为使蒸气只在汽缸内的一 侧进行压缩的构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含向汽缸中喷入的新蒸气仅为饱和蒸气、在活塞的压缩开始时或压缩 中或者压缩结束后饱和流体液或冷流体与被反应物质一起注入汽缸中的 构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含将采用汽缸和活塞进行蒸气压缩的容积设在活塞的两侧的构成，或 者在活塞的两侧设压缩膨胀机、分别设喷射器(原料喷射装置)的构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含使用设于活塞两侧的汽缸与活塞所形成的进行蒸气压缩的容积的一 方压缩湿蒸气、另一方的容积保持在高压下的构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含在汽缸与设于该汽缸上的活塞构成的机构中回收活塞的功的构成。 通过回收活塞的功，可以高能量效率地驱动反应机。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置的 压缩蒸气获得超临界流体或亚临界流体的手段，使超临界流体或亚临界 流体与有机物等的被反应物质接触进行化学反应的手段，以及使含化学 反应所生成产物的流体膨胀后减压的手段，由转子室和设于该转子室中 的转子构成，通过使该转子在转子室内旋转，压缩蒸气，在前述的化学 反应后再使转子旋转，降低温度和压力，从转子室内取出含所得产物的 液体或气体的流体，通过向转子室内喷入新的蒸气而周期性地运转。
与由汽缸和设于该汽缸上的活塞构成的往复式机构相比较，由转子 室和设于转子室的转子构成的旋转式机构的场合，具有压缩膨胀相对于 导入转子室内的被处理物质的高速化、小型化且轻量化的优点。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置的 压缩蒸气获得超临界流体或亚临界流体的手段、使超临界流体或亚临界 流体与有机物等的被反应物质接触进行化学反应的手段及使含化学反应 生成的产物的流体膨胀后减压的手段，由涡轮压缩机和与该涡轮压缩机 直接相连的涡轮构成，通过使涡轮压缩机运转压缩蒸气，在化学反应结 束后，通过涡轮降低温度和压力，通过使取出含所得产物的流体的涡轮 与涡轮压缩机直接连接，从而回收动力。这是为了连续使被反应物质反 应的缘故。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含设置使用旋风分离器或离心分离机将含反应所得产物的流体分离成 饱和流体和饱和蒸气流体的手段的构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含设置在被反应物质浸于高压饱和流体中的状态下迅速除压的爆碎装 置、使用该爆碎装置将被反应物质微细化的构成。这是由于进行微细化 而容易且迅速地将被反应物质导入本发明反应装置的缘故。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含如下构成：在汽缸、转子室或涡轮压缩机与这些汽缸的活塞、转子 室的转子或涡轮压缩机的涡轮所构成机械中的扫气阀及导入通路口分别 设流路切换阀等的开关部分，使得可以设定这些开关部分的开关时间， 通过设定这些开关部分使之定时关闭，可以连续不断地进行该机构中的 超临界处理。
通过设定机构中的各开关部分使之定时关闭，可以使用同一个机构 中的超临界流体或亚临界流体连续而反复地进行有机物质等的反应，因 此可以完成对需要长时间的被处理物质的反应。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含设置多个由汽缸、转子室或涡轮压缩机与这些的活塞、转子或涡轮 所构成机构的构成。为了提高反应的生产性，除了使汽缸等形成多气筒 的情况外，还包含设置多个该机构的情况。
利用上述后者的构成，可以利用流路连接阀等的开关部分顺序地连 接导入多个汽缸、转子室或涡轮压缩机与这些的活塞、转子或涡轮构成 的机构中的各汽缸、各转子室或各涡轮压缩机的蒸气的导入部分及扫气 部分，多次进行由压缩蒸气获得超临界流体或亚临界流体的手段、使超 临界流体或亚临界流体与有机物等的被反应物质接触进行化学反应的手 段以及使含化学反应所生成产物的流体膨胀而减压的手段构成的各过 程。这是因为被反应物质需要用分钟单位的长时间进行超临界处理的场 合，要根据需要打开前述的开关部分，分成多次地反复连续地进行本发 明的超临界处理。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含设置可以向汽缸、转子室或涡轮压缩机内导入氧化剂的氧化剂导入 装置、使导入的有机物等的被反应物在超临界或亚临界状态下进行氧化 分解的构成。
此外，本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应 装置，还包括设置把由含产物的流体中分离出的饱和蒸气再分离成气体 成分和蒸气成分的气化装置的构成。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含如下构成：设置具有导入产物分解生物体所得葡萄糖等低分子糖的 酵母、大肠杆菌等菌类的乙醇发酵槽，使导入乙醇发酵槽中的糖的基质 利用前述菌类转换成乙醇。
另外，本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应 装置，设置具有导入产物分解生物体所得低分子糖等的ABE发酵菌的ABE 发酵槽，利用ABE发酵菌把导入ABE发酵槽中的糖的基质分解成丙酮、 丁醇及乙醇。ABE发酵槽与前述的以往方法相比，可以用更低的能量有效 地通过与超临界流体的接触使生成的乙醇等的低分子糖等的基质低分子 化，在流体中可溶化，再利用ABE发酵菌变换成丙酮、丁醇及乙醇进行 处理。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 包含如下构成：设置导入产物分解生物体所得低分子的生成成分的具有 甲烷发酵菌的甲烷发酵槽，使导入甲烷发酵槽中的低分子化的基质利用 甲烷发酵菌转换成甲烷气。甲烷发酵槽与前述的以往方法相比，可以用 更低的能量通过有效地与超临界流体的接触将生物体低分子化，在流体 中可溶化，可再利用甲烷菌转换成甲烷气。
本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置， 可以分解处理作为被反应物质的含城市垃圾的生物体原料。即，生成物 是分解生物体所得的糖的场合。被反应物质是从含城市垃圾的生物体原 料、废轮胎、煤等含碳物质中选出的任一种物质、生成物是含分解前述 选择物质而所得的一氧化碳、二氧化碳、氢及甲烷气的合成气的场合。 被反应物质是PET瓶等的高分子聚合物、生成物是作为高分子聚合物材 料的原料物质，被反应物是含有PCB、氟里昂(フロン)、DXN(二噁英) 等难分解性的物质，将被反应物质分解进行无害化的场合，被反应物是 废食用油等的油脂，使用超临界流体或亚临界流体将废油脂转换成脂肪 酸酯的场合。

第1图是本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反 应装置的流程图。第2图是本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有 机物质等的反应装置中反应机的驱动构成为凸轮式时的部分流程图。第3 图是本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置中 使用旋转式的压缩膨胀机代替往复式压缩膨胀机的场合的部分流程图。 第4图是本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装 置中使用涡轮式压缩膨胀机场合的流程图。第5图是本发明的使用超临 界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置中使用涡轮式压缩膨胀机 时的流程图。第6图是本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物 质等的反应装置的另一种实施方案的流程图。第7图是本发明的使用超 临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置的另一种实施方案的流 程图。第8图是利用本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质 等的反应装置连续反复地处理被反应物质的实施方案的部分流程图。第9 图是说明在本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应 装置中设置多个反应机时的实施方案的部分流程图。第10图是说明在本 发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置中设置氧 化剂供给装置的实施方案的部分流程图。第11图是说明在本发明的使用 超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置中设置气化处理装置 的实施方案的部分流程图。第12图是说明在本发明的使用超临界流体或 亚临界流体的有机物质等的反应装置中设置乙醇发酵装置的实施方案的 部分流程图。第13图是说明本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有 机物质等的反应装置中设置ABE发酵装置的实施方案的部分流程图。第 14图是说明本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应 装置中设置甲烷气发酵装置的实施方案的部分流程图。第15图是说明作 为比较例的流动型超临界流体或亚临界流体反应装置中行程的图。第16 图是表示作为比较例的流动型超临界流体或亚临界流体反应装置中过程 的比焓的图。第17图是表示本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有 机物质等的反应装置中过程的比焓的图。第18图是表示介质流体为水时 的目标点的状态与压缩前的湿蒸气就压力3MPa的情况计算的压缩比ε值 的图。第19图是表示各种介质流体的临界条件的图。第20图是表示介 质流体是氟里昂12时，目标点的状态与压缩前的湿蒸气就压力0.7MPa 的情况计算的压缩比ε值的图。
实施发明的最佳方案
以下，根据附图说明实施本发明的最佳方案。第1图表示的使用超 临界流体或亚临界流体的有机物质等的反应装置10，是使用水作为介质 流体的装置。反应装置10是以作为获得水蒸气的锅炉11、压缩该蒸气获 得超临界水或亚临界水的手段、使该超临界水或亚临界水与有机物质等 的被反应物质接触进行化学反应的手段及使含该化学反应生成的产物的 水膨胀后减压的手段的往复式反应机12为基本构成的装置。
水蒸气由锅炉11获得，由供给泵27向锅炉11供给燃料c，同时由 鼓风机28供给空气D。该水蒸气被送到反应机12。
反应机12可以压缩水的水蒸气。即，反应机12是由汽缸12a与设 于该汽缸12a中的活塞12b构成的高压压缩膨胀机。活塞12b的两侧设 有容积12A和12B。利用曲柄机构13使活塞12b运动，在容积12A中压 缩水蒸气，可形成超临界水或亚临界水。然后，使该超临界水或亚临界 水与作为被反应物质的木粉接触，可使木粉发生水解反应。再者，曲柄 机构13也可以是凸轮机构。
该木粉是使用爆碎器15将木片A爆碎、再使木粉微细化得到的微粉， 将该木粉导入旋转送料器14，与此同时水B通过泵在加压状态下送入旋 转送料器14。在旋转送料器14中在木粉边扩散到水中边通过喷射器14a 喷射木粉的状态下供给反应机12内。木粉因为越细越容易引起化学反应 而且可以避免喷嘴的堵塞而优选。因此，利用爆碎将木粉微细化，若再 将细粉制成浆，会更好。
前述木粉的水解反应可以在活塞12b的上死点前后进行。木粉的水 解反应结束后，通过活塞12b的移动，在汽缸12a内使蒸气膨胀后再恢 复到湿蒸气，与此同时由于此时的温度降低，可使其反应停止。
这种反应过程不需要高温水或冷却水，另外，由于木粉的反应时间 通过改变活塞12b的运动速度而进行变化，所以该反应过程容易控制。 另外，反应机12在利用活塞12b压缩时需要大量的功，但膨胀时进行运 转，从而取出这种功而平衡。这种情况下，由于不把混合或热移动时伴 随能量损失的过程作为基本的，所以实际上，所需要的功只是化学反应 时的能量消耗、活塞12b的摩擦能量、其他泵等的能量。因此，可以用 高的能效率进行运转。
活塞12b降下，随之在适当的时候打开通口12e，进行驱动将反应生 成物随湿蒸气一起赶出。这种反应机12中的运转可以使用二冲程式或四 冲程式的机构驱动。例如，由于即使扫气不完全也没关系，因此作为反 应机12可以使用单流型二冲程式设备。该情况下，也可以在汽缸12a中， 膨胀结束时，由活塞12b打开通口12e，导入新的蒸气，从相对侧的阀 12c排出使用后的蒸气。
向汽缸12a的室12A喷入的新蒸气仅为饱和蒸气，在利用活塞12b 的压缩开始时或压缩中或者压缩结束后，可以把饱和液或冷水与木粉一 起注入压缩膨胀机12。就此时的饱和蒸气来讲，可以把用锅炉11获得的 蒸气供给汽缸12a内。
在向反应机12供给饱和蒸气的同时或在压缩过程中，可以把来自锅 炉11的液体成分即冷水喷到汽缸12a内，调节汽缸12a内蒸气的干度。 这是因为该蒸气的干度太低时，喷射的冷却水量会太少的缘故。
可以使该冷水喷射时的喷流在均匀分散一定量木粉的状态下注入汽 缸12a内。这种喷射因为在高速下喷射冷水，故可以使微细的木粉飞散。 同时由于可以用饱和液把木粉吹掉，因此可以避免在喷射用喷嘴处发生 堵塞。另外，喷射使用冷水，这是为了对木粉赋予必要的湿度，同时通 过使木粉保持在低温(最好150℃以下)，防止木粉在汽缸12a内进行热 分解。
本发明的反应装置还包含设置利用旋风分离器23(或离心分离机) 把含化学反应所得产物的水分离成饱和水与饱和蒸气的手段的构成。
即，把汽缸12a排出的低压湿蒸气喷入旋风分离器23中，把含有化 学反应制得的产物的水分离成饱和水与饱和蒸气的手段。此时，旋风分 离器23分离出的低压饱和蒸气，可以把加热蒸气的一部分导入另外设有 流量调节阀(调节计)31的动力发生机17中，把该能量作为汽缸12a 与活塞12b的反应机12的动力利用。13是与活塞12b的轴端连接的曲柄 机构，16是动力发生机17的曲柄机构，21a-21d是换热器。由此可以提 高装置10整体的能量效率。动力发生器17使用的蒸气在冷凝器18冷凝 后，可通过过滤器19作为给水返回锅炉11。
为了利用上述动力发生机17的能量作为反应机12的动力，曲柄机 构13与曲柄机构16相连接。即，动力发生机17的动力转换成旋转运动 后，从曲柄机构16传给曲柄机构13，利用该旋转运动作为反应机12中 活塞12b的动力。
这种情况下，曲柄机构13、16两者或任一方也可以由凸轮机构构成。 第2图示出了凸轮机构130代替曲柄机构13的构成。凸轮机构130由凸 轮130a与凸轮基部130b构成，凸轮130a与反应机120A中活塞120b的 端部120c连接，可以把凸轮130的旋转运动转换成活塞120b的伸缩运 动。120a是汽缸。
旋风分离器23的反应产物浓缩后，被导入气液分离器26。分离成饱 和蒸气和饱和水。这里，分离饱和蒸气和饱和水是预料反应产物不成为 蒸气而只含在液体中的缘故。因此，反应产物的浓缩还可以只分离其液 体的加热蒸气。因此，可以使所得反应产物的浓缩操作简单化。另外， 由于反应产物不含在饱和蒸气中，因此可以通过泵20将其返回锅炉11 或者送入动力回收机17，与前述同样地作为动力源使用。
第3图示出了使用旋转式的反应机120B代替前述反应机12的构成。 反应机120B由转子室120d与其转子120e构成。转子120e在转子外周 面与转子室120d进行内接的状态下进行偏心旋转。另外，在转子120e 的内周部有驱动轴120f与齿轮连接，驱动轴120f的旋转使转子120e偏 心旋转。有关其他的构成部分与前述同样。
反应机120B通过转子120e的偏心旋转，汲出锅炉11的水蒸气，从 蒸气导入口120g进入转子室120d内进行压缩，于是形成超临界水或亚 临界水。该超临界水或亚临界水与旋转送料器14的送料器14b喷出的木 粉接触。通过水解反应将木粉分解。然后，在转子室120d通过转子120e 的旋转膨胀后再恢复到湿蒸气。同时由于此时的温度降低，可以使木粉 的化学反应停止。
在这种反应过程中不需要高温水或冷却水，以及利用转子120e的旋 转速度可以容易地控制木粉水解反应速度，这与使用前述反应机12的场 合相同。
反应机120B可以随转子120e的旋转从转子室120d的排出口120h 排出低压湿蒸气。此外，把该排出的低压湿蒸气喷入旋风分离器23，可 以把含化学反应所制得产物的水分离成饱和水与饱和蒸气。此外，转子 120e的旋转运动可以直接取出作为驱动轴120f的动力。可以把该动力再 作为转子120e的旋转运动等利用。因此，可以以高的能量效率进行处理。 这方面也与使用反应机12的前述作用相同。
以下，第4图所示的反应机是涡轮式的高压压缩膨胀机，是从锅炉 11把水蒸气导入作为涡轮压缩机的一种的离心压缩机34。离心压缩机34 可以把导入的水蒸气压缩成超临界水或亚临界水。然后该超临界水或亚 临界水被送入高压反应机33。
高压反应机33，把木粉原料A导入木粉浆储槽41，与水均匀混合后， 通过送料泵连续地供给。作为该被反应物质的木粉，与送入高压反应机 33中的超临界水或亚临界水接触进行水解反应。
就该木粉的化学反应来讲，通过把超临界水或亚临界水从高压反应 机33导入径流式涡轮35，膨胀后恢复到湿蒸气，同时由于此时的温度降 低，可以使该反应停止。36是驱动径流式涡轮35的马达。
这种反应过程由于不需要高温水或冷却水，并且因木粉的反应时间 通过改变径流式涡轮35的旋转速度而进行变化，所以该过程控制容易。 另外，离心压缩机34需要大量的功，配置在同一个轴上的径流式涡轮35 中的膨胀进行运转，使该功被取出而平衡。涡轮35排出的蒸气在旋风分 离器23进行气液分离，饱和蒸气返回锅炉11，但一部分饱和蒸气导入径 流式涡轮37，产生动力后，从发电机38得到电力。把该电力用于离心压 缩机34的辅助驱动。
为了容易地获得流体的高温高压状态，如第5图所示，可以把离心 压缩机34及径流式涡轮35设置成二段或多段。这种情况下，在二段的 离心分离机38之间设置混合器37，由送料泵41供给冷水，进行加热蒸 气的湿度调整。
然后，如第6图所示，本发明的反应装置包含在活塞12b的两侧设 置容积、使蒸气经由一方的容积之后导入另一方的容积并只在其中一方 进行蒸气压缩的构成。根据这种构成，由于可以降低两侧容积中的压力 差，故可以减轻13的轴承负荷。
第7图表示的本发明的反应装置，包含反应机12在活塞12b的两侧 设置由汽缸12a与活塞12b所形成的进行蒸气压缩的容积的构成。根据 这种复动式的构成，可以增加单位时间的被反应物质的化学反应量。
第8图表示的本发明的反应装置，在由汽缸12a与该汽缸的活塞12b 构成的反应机12中，扫气阀12c及导入口12e与流路切换阀12g、12h 连接，各流路切换阀12g、12h都关闭的时间可以进行设定，使得由于扫 气阀12c及导入口12e的流路关闭，被反应物质在一定时间内使用该反 应机12内的超临界流体连续反复地得到处理。
根据该反应装置，关闭流路切换阀12g、12h时，产物停止从扫气阀 12c排出，与此同时也停止新的蒸气从导入口12e流入。为此，反应机 12利用活塞12b对被处理物质连续反复地进行多次的超临界处理。因此， 即使在根据被反应物质的种类确保需要的反应时间，为了使反应良好地 结束而需要分钟单位等长时间的情况下，也可以有效地处理全部被反应 物质。
本发明的反应装置，如第9图所示，包含设置多个由汽缸12a与该 汽缸的活塞12b所构成的反应机12的构成。这种多个构成可以使从第一 反应机12的扫气阀12c所排出木粉的反应产物通过流路切换阀12g顺序 地移到第二反应机12以下的反应机。然后，第二反应机12可再重复同 样的反应。这种情况与前述同样，在根据被反应物的种类确保所需要的 时间直到反应良好地结束而需要分钟单位的情况下，也可以高效处理全 部被反应物，这样的作用，在前述旋转式的反应机120或离心压缩机34、 径流式涡轮35等的涡轮式压缩膨胀机设置多个反应机的构成中也可同样 地得到。
前述各图中29是废气后处理装置，把上述化学反应产生的废气或锅 炉11产生的废气从烟筒30排放到大气中。
介质流体为水的场合，本发明的装置如第10图所示，包含设置可向 汽缸室12a喷射导入氧化剂的氧化剂供给器150的构成。氧化剂供给器 150可通过喷射机150a及喷射器14b与反应机12直接连接地设置。因此， 在汽缸12a内可发生超临界水氧化反应，进行木粉的氧化分解。
即，根据喷射氧化剂供给器150的构成，在大约374℃、218个大气 压以上的高温高压区域的超临界水中，按照超临界水氧化法的原理，气 体、液体或浆状的有机物质与木粉在超临界水中形成均匀相，即使不使 用催化剂，也可以进行燃烧反应，完全燃烧进行分解。因此，与使用过 去的超临界水、亚临界水、加压热水的处理相比，可以使用低的能量消 耗进行处理。
流体为水的场合，本发明的反应装置如第11图所示，可以在能得到 旋风分离器23分离的产物的气体成分的位置设置气液分离器230等构成 的气化装置。生成的气体成分通过长时间用超临界水对木粉等的有机物 质进行处理，进行分解反应而获得。用该气化装置，被处理物质通过用 换热器231只冷却甲烷、氢、一氧化碳或二氧化碳等气体与水蒸气的混 合气中的水蒸气而进行液化，通过其后段的气液分离器230可以分离成 甲烷、氢、一氧化碳或二氧化碳等的分解气和水。这是因为就常压下的 沸点来讲，水为100℃，而甲烷为-182℃，氢为-253℃，一氧化碳为-191 ℃，二氧化碳为-78℃，与水相比，都是非常低的低温，水蒸气液化时产 生的热能可以通过换热器231用于锅炉给水E的加热。另外，气液分离 器230分离出的水可以再返回锅炉。
作为本发明反应装置中的被反应物质，除了木材外，还可以使用含 城市垃圾的生物体原料、废轮胎、煤等含碳的物质、甲醇等的低分子醇 与油脂，还有PET瓶等的高分子聚合物、PCB、氟里昂、DXN(二噁英) 等含有卤素的物质等各种的有机物质作为对象。
介质流体为水或醇等的质子性流体的场合，被反应物质是含城市垃 圾的生物体资源的场合，利用超临界水或亚临界水对生物体进行水解， 可以获得葡萄糖等低分子的糖作为产物。
另外，被反应物是从含城市垃圾的生物体原料、废轮胎、煤等的含 碳物质中选出的任一种物质的场合，利用超临界水或亚临界水对该选择 物质进行分解，可以获得含一氧化碳、二氧化碳、氢及甲烷气的合成气。 此时，超临界水成为非常高的温度时，迅速地进行热分解，生成上述成 分的合成气，溶解于超临界状态的水中。若将其恢复到低温，作为合成 气而成为可燃性气体，故也可把这样的气体作为甲醇原料使用。
被反应物质是废食用油等油脂的场合，可以使用超临界醇或亚临界 醇将油脂进行酯交换反应，获得酯化合物。
介质流体为水或醇等的质子性流体的场合，被反应物质是PET瓶等 的聚酯时，也可以分解成对苯二甲酸或乙二醇等的化学原料进行回收。
被反应物质是PCB、氟里昂、DXN(二噁英)等的难分解性含卤素的 物质时，也可以分解至无害化。这种情况下，有时也添加氧等的氧化剂 或碱等使之分解。
介质流体为水或醇等的质子性流体时，本发明的反应装置如前述， 分解生物体获得的产物为葡萄糖等低分子的糖时，如第12图所示，通过 在气液分离器26的后方位置设置乙醇发酵槽232，使用该超临界水或亚 临界水，可以将高分子糖化后制得的葡萄糖等的低分子类有效地转化成 乙醇。即，把气液分离器26中产物的水溶性成分导入乙醇发酵槽232， 通过酵母、大肠杆菌等菌类的作用生成乙醇。因此，这种情况与过去的 超临界水、亚临界水或热水等的处理装置相比，可以使用低的能量消耗 有效地制得乙醇。另外，使用超临界或亚临界状态的水等的质子性流体 进行糖化处理的场合，该处理所需要的时间，相对于超临界水为秒级以 下、亚临界水为数分钟～秒的数量级来说，酶糖化为数十小时，由于需 要非常长的处理时间，因此使用超临界水或亚临界水进行糖化的方法， 可以用非常短的时间进行处理。
介质流体为水或醇等的质子性流体的场合，如第13图所示，可成为 在能导入所得产物的水溶性成分的位置设置ABE发酵槽233代替上述的 乙醇发酵槽232的构成。ABE发酵槽233可以把导入的产物转换成丙酮、 丁醇及乙醇。因此可以进行ABE发酵。本发明的装置与过去的超临界水、 亚临界水或热水等的处理装置相比，可以用低的能量消耗有效地获得丙 酮、丁醇、乙醇。
介质流体为水或醇等的质子性的流体时，本发明的反应装置如第14 图所示，通过在气液分离器26的后方位置设置甲烷发酵槽234，使用其 超临界水或亚临界水可将高分子低分子化，把葡萄糖等的低分子有效地 转换成甲烷气。即通过超临界或亚临界流体在甲烷发酵槽234内的甲烷 发酵菌的作用下把低分子化的产物转换成甲烷气。这种情况下，与过去 的超临界水、亚临界水或热水等的处理装置相比，可以用低能量消耗有 效地获得甲烷气，同时与超临界水或亚临界水以外的方式相比，可以用 非常短的时间且高速地进行处理以获得甲烷气。
以下，对本发明使用超临界流体的有机物质等的反应装置10的第一 实施例进行说明。该反应装置10使用水作为流体。
在压缩膨胀机12中压缩水蒸气，获得超临界水，被反应物质进行超 临界水反应时，压缩结束时的压力必须是临界压力的22.1MPa以上，且 温度是临界温度的374℃以上。被反应物是木粉，对木粉水解获得葡萄糖 等的低分子糖时，压缩结束时的压力越高，越可以抑制生成成分的过度 分解，另外，众所周知，其温度越高，则反应速度越快。
因此，考虑这些情况，作为通过水蒸气的压缩所达到的压力及温度， 分别选择25MPa及410℃。这里，考虑木粉的量比水量少时的极限，其影 响可以忽略，且假设压缩中没有水蒸气与汽缸的热交换等，由于熵变化 而达到上述的目标点，求得压缩开始时的湿蒸气的状态。水及蒸气的热 力学数据参见日本机械学会蒸气表(1980)。
首先，求目标点的比熵s，对假定的压缩前的压力可以由饱和水的比 熵s’及饱和蒸气的比熵s”之差(s”-s’)求出与目标的比熵s相等的 干度x。第18图的表表示目标点的状态与压缩前的湿蒸气在3MPa的情况 下计算的结果。
由该第18图所示的结果看出，3MPa的湿蒸气饱和温度为234℃，要 获得与目标点相等的比熵，干度x是75.2％，求出干度x时，则由饱和水 的比容积v’与饱和蒸气的比容积v”之差(v”-v’)求得湿蒸气的比 容积v及密度1/v。此外，求得定义为压缩前的比容积v与目标点的比容 积vo之比的压缩比ε。
从第18图看出，压缩比ε是7.3，若把压缩前的汽缸内容积压缩到 1/7.3，则可达到所期望的超临界水的状态。结果，反应的影响小到可以 忽略不计的程度，且可假定为等熵变化，则达到目标点后，通过曲柄机 构进行膨胀，汽缸内的容积为最大，膨胀后返回到与压缩前相同的状态。 再者，压缩前的水蒸气的压力为3MPa时，用于使木粉原料的反应容易进 行的爆碎中也可以使用该饱和水。另外，压缩前的压力大幅度地超过3MPa 时，由于饱和温度高，有不能完全停止反应的可能性。
然后，在压缩开始前向汽缸内只送入饱和蒸气，作为被反应物质的 木粉与冷水一起进行喷射，为在汽缸内实现木粉的良好均匀分布、同时 抑制压缩中木粉的无用反应的进行，求出在与上述相同条件下所需的冷 水量。压缩结束完成木粉的均匀混合后，为了达到与湿蒸气场合相同目 标点的超临界水状态，也可以使压缩前的比焓成为与湿蒸气场合相同的 值。若冷水的比焓为hw’，压缩前的湿蒸气的比焓为hs’，此时饱和蒸气 的比焓为hs”，冷水在水及水蒸气的总质量中占的质量为y，则由此可以 列出以下的关系式。
y＝(hs”  -hs’)/(hs”  -hw’)
冷水的温度为50℃，压缩前的蒸气压力为3MPa，由前述的日本机械 学会蒸气表求得必需的值时，y＝0.183。即，应注入的冷水量为总水量的 18％，其余的可在饱和蒸气的状态下注入汽缸。
实际的场合中，由于受被反应物质的量、反应、水蒸气与壁面的热 交换等各种的影响，故与上述的理想状态变化有偏差，但其偏差并没那 么大，例如即使有不同，也可以适当地对设定条件加以修正。
以下，把有关反应装置10的能量收支与作为过去的反应装置的流动 式超临界水反应装置进行比较说明。作为过去反应装置的流动式超临界 水反应装置如第15图所示，通过使高分散有原料木粉的冷水A与比所期 望温度(例如410℃)高的超临界水Wb进行混合，成为所期望的超临界 水状态，通过用冷却水Wc将超临界水急冷，使木粉的反应停止。
以下，计算选为目标点的25MPa及410℃下的过去的流动式超临界水 反应装置的能量收支。150℃的比焓h150为，h150＝647.7kJ/kg，410℃时 h410＝2691kJ/kg。而550℃时h550＝3337kJ/kg。计算，假设流过150℃的冷 却水时，通过流入大约冷水的3.165倍量(对150℃的冷水1kg混入的 550℃的超临界水量为akg，由比焓的计算式h410(1+a)＝h150+h550a换算) 的550℃超临界水进行混合，达到目标点的超临界状态。然后进行设定， 使超临界水利用冷水冷却到150℃，停止反应。
如上所述，过去的装置由于通过添加冷水使反应停止，冷水的3.15 倍量的550℃超临界水必然浪费h550×3.165＝10560kJ/kg的能量，但是， 由于把常温的冷水加热到150℃，故可以使用一部分冷水。因此，如第 16图所示，过去的流动式超临界反应装置中，从10560kJ/kg减去 h150＝648kJ/kg部分的β19910kJ/kg成为能量损失。
另一方面，在选作目标点的25MPa及410℃的本发明的反应装置10 的能量收支计算，把常温的冷水加热到3MPa、234℃，通过反应膨胀机的 压缩使这时的湿蒸气达到目标点(25MPa、410℃)。然后进行设定，利用 膨胀冷却超临界水，再一次变成234℃。3MPa、234℃、干度0.752的湿 蒸气的焓为2357kJ/kg，在410℃下h410＝2691kJ/kg。由第17图看出，湿 蒸气的比焓(2691kJ/kg)中能量基本上被回收，仅仅是伴随木粉的化学 反应的不可逆变化即汽缸内液体与汽缸壁面之间的热交换、活塞与曲柄 机构等的摩擦等的轻微部分成为能量不可逆损失部分。
反应机的压缩功，对比内部能u来讲，由u＝h-pv(h：比焓、p：压力、 v：比容积)的关系算出是313kJ/kg(水与蒸气的热力学数据参见日本机 械学会蒸气表(1980))。通过膨胀压缩功基本上被回收，但反应、热损 失、摩擦等产生不可逆损失部分，该损失部分由动力发生机补给。该机 械上的不可逆损失部分，若反应机与动力发生机的功损失合计为28％，则 大约是122kJ/kg。因该损失部分由动力发生机补给，故动力发生机的理 论热效率为33％时，动力发生机需要大约370kJ/kg的热。因此，反应机 与动力发生机中的能量损失部分β’为370kJ/kg，只不过是过去的流动 式反应装置的9910kJ/kg的1/27。另外，反应装置10是负载爆碎机的装 置，但有关爆碎机的能量，不论是反应装置10还是流动式反应装置均不 变，故从能量收支计算省去这部分。
如上所述，反应装置10与过去的流体式反应装置相比较，能量损失 部分非常少，其可动所需的能量消耗量极小。
作为本发明装置中的流体，有关水以外的流体也可以形成超临界状 态。例如，有二氧化碳、氧化亚氮、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。这些各种物 质的临界条件数据示于第19图。
本装置可在临界温度压力高的水中实现超临界状态。由第19图的临 界条件数据来看，氟里昂12的临界温度、临界压力条件比水低，所以作 为介质流体使用氟里昂12的场合，本发明的装置可以实现充分的超临界 状态。
作为本发明的第二实施方案，介质流体为氟里昂12的场合，有关氟 里昂12的目标点的状态为温度130℃、压力4.9MPa，把0.7MPa情况下 计算压缩前的湿蒸气的压力的结果示于第20图。氟里昂12的热力学数 据参见日本冷冻协会R12冷媒热物性值表(1981)。
由第20图可知，就前述流体来讲，与水的场合同样，只要求出压缩 压力ε＝6.4，压缩到压缩前的6.4/1，则可达到所期望的超临界流体的状 态。此外，达到目标点之后，通过曲柄机构进行膨胀，汽缸内的容积成 为最大，膨胀后恢复到与压缩前相同的状态。
本发明的反应装置10，在选作目标点的4.9MPa、130℃下的能量收 支，设定常温的氟里昂12加热到0.7MPa、40.0℃，通过反应机的压缩使 湿蒸气达到前述目标点，其后通过膨胀，超临界流体被冷却，再一次变 成40.0℃。这种情况下湿蒸气的比焓中能量基本上被回收，只是伴随化 学反应的不可逆变化即汽缸内液体与汽缸壁面之间的热交换、活塞与曲 柄机构等的摩擦等轻微的部分成为能量不可逆损失部分。这样，通过膨 胀，压缩功被回收，但反应、热损失、摩擦等作为不可逆损失部分产生， 该损失部分由动力发生机补给。
本发明装置的反应机以及动力发生机中的能量损失部分，由于流体 即使是氟里昂12，也比过去的流动式反应装置的值少得多，所以要运转 本发明装置所需要的能量极小。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明的使用超临界流体或亚临界流体的有机物质等的 反应装置从构成来看有以下的效果。
本发明的使用超临界水或亚临界水的有机物质等的反应装置，由于 利用活塞、旋转或涡轮压缩机与涡轮，由压缩蒸气获得超临界流体或亚 临界流体的手段、使该超临界流体或亚临界流体与有机物质等的被反应 物质接触进行化学反应的手段、使含该化学反应所生成的生成物的流体 膨胀后减压的手段、以及使被反应物质与液体状的流体一起喷入反应机 内的手段构成，所以不使用低温的液体(流体为水的场合，是冷水)，可 以将高温高压流体中的被反应物质的高速反应进行冷却，使反应急速停 止(冻结)。
通过调节活塞的上下运动或调节转子旋转运动的速度、或者通过调 节涡轮压缩机与涡轮机连接的反应容器的容积，可在短时间内中断超临 界流体或亚临界流体等的高温高压流体中的高速反应，进行反应的控制。
这些手段通过采用使超临界或亚临界的高温高压流体膨胀的方法降 低温度和压力，把使反应停止时膨胀的功再一次用于压缩蒸气的功，可 以回收生成超临界或亚临界的高温高压流体所需要的能量。利用该回收 的能量，可以提供超临界或亚临界的高温高压状态下的化学反应能量极 高的装置。
对往复式或旋转式反应机的反应机构在扫气阀和导入口的流路上分 别设置流路切换阀等的开关部分，通过形成在关闭这些开关部分时可以 连续反复处理被反应物质一定时间的构成，或者形成设置多个往复式或 旋转式反应机的构成，即使是对必须分钟单位处理的被处理物质，也可 以确保有效的处理时间。因此可以用简单的构成提高反应的生产效率。 尤其是成为在活塞的两侧由前述往复式的汽缸与活塞进行流体的蒸气压 缩的容积的构成的复动式时，可以使反应能率提高。
前述往复式或旋转式的反应机为周期性地进行被反应物质反应的周 期性处理，而涡轮型连续地供给被反应物质，可连续地进行这种化学反 应。
流体为水等的质子性流体的场合，被处理物质为木质原料等的有机 生物体时，可以使该有机系生物体向低级糖等进行低分子化(可溶化)。 此外，通过使这种低分子化物进行乙醇发酵、ABE发酵以及甲烷发酵，可 以有效地转换成可用作燃料等的液体成分或气体成分。作为这种气体成 分，例如，为甲烷气的场合，还可以供给甲醇合成装置或气体发动机再 进行利用。