超臨界水反応装置に関する研究
○日本大学 正 村田 守 日本大学 朝比奈 敏勝 日本大学 星野 和義
１．緒言
超 臨 界 水 （supercritical water） と は 、 臨 界 圧 力
（22.1Mpa）、 臨 界 温 度 （374 ℃ ） を 超 え た 状 態 の 水 であ り 、液 体、 気 体の 区別 が つか ない 状 態と な っ てい る 。超 臨界 水 は、 気体 の 拡散 性と 液 体の 物 質 溶解 性 を併 せ持 っ てい るた め 、反 応溶 媒 とし て さ まざ ま な効 果を 持 ち、 環境 汚 染物 質の 分 解抽 出 や 難分 解 性物 質の 処 理、 リサ イ クル 等多 く の分 野 へ の応 用 が考 えら れ 、期 待を 集 めて いる 。 土木 分 野 でも 、 アス ファ ル ト混 合物 廃 材の 再生 利 用へ の 応用が検討されている。
上述 の よう に、 超 臨界 水反 応 容器 は高 温 、高 圧 に 加え 、 溶解 性の 強 い環 境下 で 使用 され る ため 、 従来はハステロイ、インコネルといった Ni基合金 が 使用 さ れる こと が 多か った 。 しか し、 実 用的 な 大 きさ の 容器 を製 作 する 場合 に は、 これ ら の合 金 単体で製作することは得策とは言い難い。そこで、
本 研究 で は、 ハス テ ロイ 薄板 を 内面 にラ イ ナー 材 と し使 用 し、 その 外 側を 耐熱 Ｆ ＲＰ で補 強 巻き す るという容器構造の可能性について検討を行った。
２．超臨界水反応装置の構造
検討 を 行っ た超 臨 界水 反応 装 置の 構造 は 、図 １ に 示す よ うに 、円 筒 形状 の胴 部 の両 端に 端 部押 さ え 板を 配 し、 この 板 をタ イロ ッ ドで 結合 し 、圧 力 に よる 軸 方向 荷重 は タイ ロッ ド でも たせ る 形式 の ものである。この円筒形胴部を図２に示すように、
最 内層 を 耐熱 ・耐 食 性の ある ハ ステ ロイ 製 のラ イ ナ ーと し 、そ の外 側 をコ ンク リ ート で覆 い 、更 に
超臨界水、反応容器、圧力容器、高温容器
そ の外 側 を耐 熱 ＦＲ Ｐで 補 強し た構 造 につ いて 検 討 した 。 上述 の よう に円 筒 部に は基 本 的に 軸方 向 応 力は 発 生し な いの で、 Ｆ ＲＰ 層は Ｆ Ｗ法 によ る フ ープ 巻 きと し 、周 方向 応 力に 対抗 さ せ、 コン ク リ ート 層 はＦ Ｒ Ｐ層 の温 度 を下 げる 断 熱目 的で 挿
図１ 超臨界水反応装置の構造
図２ 円筒胴部の構成
習志野市泉町１−２−１ 日本大学生産工学部
繊維方向 L方向
直交方向 T方向
厚さ方向
Z方向 L方向 T方向 Z方向
FRP(T300,Polyimide) 140 30 4.4 0.35 2250 75 3 0.59 0.59 901.7 0.678 24.55 24.55 FRP(M40,Polyimide) 227 31 4.4 0.34 1777 45 24 1 1 866.1 -0.161 24.5 24.5
ハステロイC276 205 0.31 790 414
普通コンクリート 20 0.3 60 960
ｺﾝｸﾘｰﾄ(粒子40％） 20 0.3 60 960
ｺﾝｸﾘｰﾄ(粒子50％） 20 0.3 60 960
比熱
（Ｊ/ｋｇ・K）
0.7484 0.6355
8 8 10.2
1.2
12.4 8
表１ 材 料 特 性
強度 ＦＴ (Mpa)
材料 EL
(Gpa) ﾎﾟｱｿﾝ比 強度ＦL
(Mpa) ET
(Gpa)
GLT (Gpa)
熱伝導率（Ｗ／ｍ・K） 線膨張係数(*10^-6/K)
土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）
-169- CS2-063
入している。ＦＲＰの補強繊維には、T300とM40J と 呼ば れ る弾 性率 、 強度 の異 な るカ ーボ ン 繊維 を 使 用し 、 樹脂 には 熱 硬化 型の 耐 熱樹 脂で あ るポ リ イ ミド を 使用 した 。 断熱 層に は 、普 通コ ン クリ ー トと NASA で 開発された断熱目的のセラミック粒 子 1)（MHCB 粒 子）を混入した２種類について検 討した。ハステロイは、C276 を 使用した。これら の 材料の 特性をまとめて 表１に示す。FRP お よび 粒 子入 り コン クリ ー トで 実測 値 が無 いも の につ い ては、積層理論、複合則により求めた2)。
３．解析および結果 ３．１ 解析方法
今 回 の 検 討 で は 、 先 の 構 造 で 、 円 筒 の 内 径 を 100mm、 ハステロイの厚さを 5mm とし、コンクリ ートおよび FRP の厚さ、種類を変えたものについ て、FEM 解 析により各部の応力と温度について検 討を加えた。解析時の境界条件は、
容器 の 内壁 面にお いて： 内圧 40MPa、 温度 400
℃ 、容 器 の外 壁面 に おい て： 大 気圧 、雰 囲 気温 度 20℃、熱伝達係数 6W/m2Kと した。
３．２ 解析結果および考察
表２ に 、今 回検 討 した 円筒 部 の材 料お よ び寸 法 構 成と そ れら の各 部 に発 生す る 応力 をま と めて 示 す 。結 果 は示 して い ない が、 今 回常 温時 に 圧力 の み をか け たと きの 安 全率 ４を 目 標と して 設 計し て
い る。 表 に示 し た高 温時 の 結果 で一 部 これ を下 回 る 数値 と なっ て いる もの が ある 。こ の 原因 はハ ス テ ロイ、 コンクリー ト、FRP の 膨張 係数が大きく 異 なる こ とが 挙 げら れる 。 ハス テロ イ 部分 の熱 膨 張 は、 軸 方向 に はコ ンク リ ート によ り 伸び を拘 束 され、周方向には FRP がほとんど伸びないため拘 束され、常温時に比べ大きな圧縮応力が発生する。
同 じ原因 で、コンク リー トの圧縮応力 、FRP の 周 方 向応 力 は増 加 して いる 。 補強 糸で 見 ると 、高 弾 性糸であるM40Jを 使用するよりも弾性率が低く、
強度の高いT300 を 使用する方が多少有利な結果と なっている。
表３には、材料各層の最高温度をまとめて示す。
使 用 予 定 の ポ リ イ ミ ド 樹 脂 の 連続 使 用 温 度 を 200
℃ と 考 え る と３ ）、 普 通 コ ン ク リ ー ト お よ び 断 熱 粒 子 混入 コ ンク リ ート を使 用 した 場合 に 必要 とさ れ るコンクリートの厚さは、それぞれ130mm、80mm 程度となることが分かる。
３．まとめ
ライナ ー材、断熱 材、FRP 補 強材 の３層構造の 超 臨界 水 反応 装 置を 検討 し 、こ の構 造 が実 現可 能 で ある こ とが 示 唆さ れた 。 断熱 層の 厚 さは 口径 に さ ほど 依 存し な いの で、 溶 接構 造で ラ イナ ーを 製 作 でき れ ば大 型 化は 比較 的 容易 であ り 、こ の構 造 は大型容器に有効であると考えられる。
参考文献
１）㈱新触媒九州ホームページ
２）宮入、他：複合材料の辞典、朝倉書店
３ ） J. M. Criss Jr.,et al:New state-of-the-art high temperaturetransfer moldable resins and their use in composite,SAMPE,2003
ハ ス テ ロ イ
ｺ ﾝ ｸ ﾘ ｰ ﾄ F R P σ e q σ ｘ σ ｚ σ L σ T
（ ㎜ ） （ ㎜ ） （ M p a ) （ M p a ） （ M p a ） （ M p a ） （ M p a ）
0 5 1 6 2 5 2 3 - 1 0 5
T 3 0 0 1 3 0 5 3 6 7 - 4 9 1 5 2 5 0 - 4 4
1 3 0 1 0 3 3 1 - 5 3 9 2 3 5 - 4 3
0 5 3 3 0 7 3 2 - 1 0 9
M 4 0 J 1 3 0 5 3 5 1 - 5 3 1 1 4 0 9 - 4 2
1 3 0 1 0 3 2 3 - 5 9 - 6 3 6 1 - 3 9
8 0 5 3 0 0 - 4 8 1 9 2 8 9 - 3 8
T 3 0 0 9 0 5 3 3 1 - 4 8 1 9 2 7 5 - 3 3
8 0 5 2 8 1 - 5 3 1 3 4 5 5 - 3 5
M 4 0 J 9 0 5 3 1 2 - 5 3 1 4 4 3 4 - 3 1
9 0 1 0 2 9 5 - 6 1 - 7 3 7 2 - 2 9
粒 子 4 0
％ 入
表 ２ 各 部 に 発 生 す る 応 力
普 通 コ ン ク リー ト
F R P 補 強 繊 維
断 面 構 成 発 生 応 力
ｺ ﾝ ｸ ﾘ ｰ ﾄ F R P
（0,5） （130,5） （130,10） （80,5） （90,5） （90,10）
ﾊｽﾃﾛｲ 400 400 400 400 400 400 ｺﾝｸﾘｰﾄ - 398 398 398 398 398 CFRP 398 198 198 211 197 197
単位：℃
断面構成（ｺﾝｸﾘｰﾄ厚さ，CFRP厚さ）（㎜）
表３ 材料各層の最高温度
普通コンクリート 粒子40％入りコンクリート 材料
土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）
-170- CS2-063
