JP2019504765A - 回転式管混合器及び混合方法 - Google Patents

Abstract

管状反応器又は混合器は、反応器内に取り外し可能な混合要素（５）が設けられた長手方向軸の周りに弧状に往復運動するように回転できる管を備え、混合要素を管状混合器又は反応器内に保持するために手段（２）が提供され、混合要素は、混合器又は反応器の運動とともに動き、管は、好ましくは、自由であり、管の往復運動とともに動かない混合要素（７）を含み、反応器又は混合器を用いたプロセスを含む。【選択図】図５

Description

本発明は、管内の流体を混合するための方法及び装置に関する。この方法及び装置は、単に流体を混合するために用いることができ、また、反応器内の１又は２以上のプロセス材料に関与する反応を含む作用のために用いることもできる。関連する流体は、これらに限定されるものではないが、均一流体、ガス、超臨界流体、又は不混和流体などの多相混合物、ガス／液体混合物、固体粒子を有する液体、又はこれらの組み合わせを含む。様々に混合する目的は、これらに限定されるものではないが、異種材料又は異なる温度の材料の相互混合、熱伝達の改善、物質移動の改善、粒子の懸濁及びプラグ流れ（ｐｌｕｇ ｆｌｏｗ）の推進を含む。混合は１つの目的のために用い得るが、通常、混合の理由は２又は３以上ある。

本発明において、本明細書における流体は、４５容量％又はそれより多い、より好ましくは６５容量％又はそれより多い易流動性液体を含むプロセス材料である。易流動性液体は、本明細書では、管の一端を通して導入されたときに、混合せずに水平管内に一様のレベルを形成する液体として定められる。流体の例は、水、トルエン、及び空気を含む。易流動性液体は、上述の制限を受ける固体粒子状物質などの非流体材料を送ることができる。

本発明は、高粘度の流体のために用い得るが、この領域における使用範囲が限定されている。好ましい使用範囲は、１，０００センチポアズ未満、より好ましくは１００センチポアズ未満の粘度を有する流体用のものである。

本明細書におけるプラグ流れは、３つの連続撹拌槽、より好ましくは５又はそれより多い連続撹拌槽のカスケードに相当する順序正しい流れとして定められる。向流動作の場合、反対方向に進む異なるプラグ流ストリームが存在する。

国際特許公開第２０１４０６８０１１号

本発明は、一般的に、しかし好ましくは、材料が管を通して連続的に流れるシステムの混合に関する。これらは、本明細書では、連続混合又は連続反応システムと呼ばれる。本明細書における反応という用語は、物理的、化学的、又は生物学的変換が生じる作用をいう。変換は、これらに限定されるものではないが、化学反応、細胞成長、酵素又は触媒を用いた反応、抽出、及び結晶化を含む。変換はまた、配合又は物質移動のような連続的な非反応システムにも適用できる。

連続反応システムと関連した一般的な用語は、連続反応器又は流れ反応器である。
連続反応システムにおいて、プロセス材料は、並流モード又は向流モードで流れることができる。向流モードにおいて、プロセスは、一般的に、２又はそれより多い異なる密度の非混和流体からなる。

こうしたシステムが用いられる領域は、これらに限定されるものではないが、食品、製薬、バイオプロセス、精密化学、バルクケミカル、石油化学製品、重合及び鉱物処理を含む。

本発明の好ましい使用は、内部機械的混合器を有する管を含む連続反応システムのようなものである。供給材料は、管の一端に供給され、連続的又は断続的な方法で他方の端部から排出される。管内の物質移動は、重力、供給タンク内の圧縮ガス、又はより一般的にはポンプによって行われ得る。場合によっては、管に沿った中間地点で、製品又は供給材料を追加することができる。同様に、管に沿った中間地点で、製品又は廃棄物を取り除くこともできる。向流の流れの場合、それぞれ管の異なる端部において２つの異なる相を追加し、排出することができる。

必要に応じて、管は、該管の外側の周りに加熱／冷却ジャケットを有することができる。電気加熱に基づいて又は流動熱伝導流体によって、異なる設計の加熱／冷却ジャケット使用することができ、こうした方法は、周知の技術である。反応器は、温度測定装置、適用される加熱又は冷却量を変えるための制御装置（制御弁のような）、及びプロセス温度の測定偏差に基づいて制御装置を調整するコントローラからなる温度制御システムを使用することができる。

連続反応システムは、バッチ反応システムの代案である。バッチ反応システムに優るその利点は、連続反応システムが途切れることなく複数の反応器容積を処理できるという事実から生じる。これは、機器のサイズの減少と、プロセス・サイクルの段階中にバッチ反応器が遭遇する高い一時的加熱及び／又は冷却負荷の低減をもたらす。サイズがより小さいため、連続反応器は、プロセス材料の単位容積当たりの伝熱面積に関するより良い性能、混合時間の低減、及び混合せん断のより良好な分布ももたらす。混合及び／又は熱伝達に関する性能の改善は、さらなる規模の縮小をもたらす。競争反応又は逐次反応が生じ得る場合、より短い反応時間、より良好な混合、及びより良好な熱伝達の結合した効果が、改善された歩留り及び純度の改善を様々な形でもたらす。

本明細書における管という用語は、プロセス材料を収容する混合管を指す。特許文献１は、連続反応システムについて記載し、これにより、管の本体が、管の長軸の周りに弧状に回転するように動かされる。管の長軸は、管の直径に対して直角である。管は、管の回転に伴って回転する固定内部混合器ブレードを含む。各々の固定混合器ブレードに隣接して、管の中心点の周りに又は管の中心点付近でピボット運動する可動混合器ブレードがある。可動混合器ブレードは、ブレードの一方の側上のカウンターウェイトによりバランスを欠いており、管と関係なく回転することができる。カウンターウェイトにより、可動混合器ブレードは、重力の作用による管本体の回転に抵抗する。その結果、固定及び可動混合器ブレードは、互いに関係なく動く。この構成により、管内の駆動軸、軸シール、又は磁気結合に対する必要性なしに、機械的撹拌がもたらされる。

本発明は、回転管式混合器システムのコスト及び複雑さを低減させる利点を有するこのシステムの改善を提供する。

本発明は、反応器内に取り外し可能な混合要素が設けられた、長手方向軸の周りに弧状に往復運動するように回転することができる管状反応器を提供し、そこでは、混合要素を管状混合器又は反応器内に保持するための手段が提供され、混合要素は、混合器又は反応器の動きとともに動く。

好ましい実施形態において、本発明は、混合器又は管状反応器の往復運動と関係なく、かつ、固定混合器と関係なく自由に動くことができる、管状混合器又は反応器内の可動混合器をさらに提供する。

更に別の実施形態において、本発明は、管状混合器又は反応器の内壁に取り外し可能に取り付けられ、管状混合器又は反応器の往復運動によって移動する混合要素を収容し、さらに管状混合器又は反応器の往復運動と関係なく反応器内で移動可能な自由混合要素を収容する、往復運動可能な管状混合器又は反応器を備えるアセンブリを提供する。

好ましい実施形態において、自由混合要素は、固定混合要素を管状混合器又は反応器の内壁に取り外し可能にキー固定するようにも機能するブレースによって、管状反応器又は混合器内に保持される。
混合要素又は混合器は、好ましくはブレードの形状である。

添付図面を参照して本発明を例証する。

プロセス材料を収容し、管の長軸の周りに弧状に往復運動するように回転することができる管（１）を示す。管の端部における、プロセス材料を供給及び除去するための供給ライン及び排出ラインは図示されない。冷却／加熱ジャケットは図示されていない。管をシールするための管端部プレートは図示されていない。管の両側上の管側面支持部（２）は、管に対して固定混合ブレードを動かないようにする。管側面支持部のさらなる目的は、ピボット上に取り付けられた可動混合器ブレードの重量を支持することであり得る。 管に対して固定混合器ブレードを動かないように保持するために用いることができる交差ブレース（３）を示す。交差ブレース内のスロット（４）は、該交差ブレースを管側面支持部（２）上に配置させる。交差ブレースは、管に沿って自由に摺動することができる。可動混合器ブレードのためのピボット機構の部分が、交差ブレース上の中央スロットとして示され、これは、可動混合器ブレードが、固定混合器ブレードと関係なく回転するのを可能にする。ピボット機構のこの部分は、図示されるように円形ピボット要素に適合するように丸くてもよく、又は表面上で揺動する狭い縁部を支持する平坦な表面又は輪郭形成された表面であってもよい。 溶接、溶融、のりによる接合、ねじ、スロット、クリップ、フレーム、又はこれらの組み合わせによって、交差ブレース上に配置することができる固定混合器ブレード（５）を示す。交差ブレース及び固定混合器ブレードは、機械加工又は鋳造又はこれらの組み合わせにより、単一部品として形成することもできる。プロセス材料が混合のために固定混合器ブレードの面を横切って通ることを可能にするように、固定混合器ブレード上にスロット（６）が示される。スロットの数、サイズ及び形状は、必要に応じて変わる。場合によっては、スロットではなく穴が用いられる。場合によっては、固定混合器ブレードは、穴又はスロットのない中実のシートである。 回転を容易にするために、丸いピボット機構（８）上に支持される可動混合器ブレード（７）を示す。代替的に、ピボット機構は、表面上で揺動する鋭利な縁部又は丸い縁部とすることもできる。可動混合器ブレードの一方の縁部上に、カウンターウェイト（９）が配置される。自由回転運動とカウンターウェイトとの組み合わせにより、可動混合器ブレードが、固定混合器ブレードに対して異なる回転移動量を有することが可能になる。 どのように構成部品が混合器アセンブリ（１０）として組み合わされるか示す。取り付けのために、混合器アセンブリは、管側面支持部（２）に沿って自由に摺動することができる。図は、単一の混合器アセンブリを示す。バッチ・システムにおいては、単一の又は複数の混合器アセンブリを使用することができる。連続反応システムにおいては、３つ又はそれより多い混合器アセンブリが好ましく、５つ又はそれより多い混合器アセンブリがより好ましく、８つ又はそれより多い混合器アセンブリがさらにより好ましい。連続システムにおいて複数の混合器アセンブリが好ましい理由は、管の直径に対して管の長さが大きいと、良好なプラグ流れが与えられるためである。複数の短い混合器アセンブリは処理がより容易であり、また、逆混合を最小にするために、状況によっては、複数のバッフルも可能にする。混合器アセンブリは、単一のアセンブリとして又は複数の別個の構成部品として取り付けることができる。 どのように混合器アセンブリ（１０）を管内に挿入できるかを示す。 バッフル（１１）である付加的な構成部品が提供された、図５の混合器を示す。バッフルは、混合器アセンブリ間の逆混合を減少させるため又は無くすために、幾つかの用途において用いられる。十分な数のバッフル付き段を条件として、管の所望の長さ対直径の比が実際的でない場合、これがプラグ流れを達成する。バッフルは、側面支持部（２）を有する管の幾何学的形状により適所に保持されるように十分に厚く、取り付けのために管に沿って摺動することができる。バッフルの厚さは、使用される材料の強度に応じて変わる。 管が弧状に回転するとき、静的混合器ブレードに関係なく、固定混合器ブレードがどのように動くかを示す。

本説明の図は例証的であり、本発明のアセンブリは、異なる方法で製造及び組み立てることができる。この構成を容易にするキー固定要素（ｋｅｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、管側面支持部（２）などの固定混合器を保持するキー固定要素である。これらは、回転中、管に対して固定混合器ブレードを動かないようにするための手段を提供し、一方又は両方のタイプのブレードに対する支持を提供することができる。交差ブレース（３）は、固定混合器ブレード（６）の独立した部分若しくは部分、又はバッフル（１１）の部分、又はこれらの組み合わせとすることができる。

要素を保持するためのキー固定要素は、管の内面に沿った突出部とすることができ、又は混合器内の突出部が嵌まることができる管の壁内のスロットとすることができる。単一の突出部又はスロットが使用されることがあるが、２つ又はそれより多い突出部又はスロットが使用されることもある。好ましい突出部又はスロットの数は２つである。

管状反応器又は混合器は、各方向に最大１８０°まで弧状に往復運動するように回転するが、好ましい回転弧は、各方向に９０°又はそれより小さい。突出部又はスロットのようなキー固定要素は、図６に示されるように管の移動の弧の中間点で水平位置にあるように配向されることが好ましい。突出部又はスロットは、１８０°である全直径において管の両側にあることが好ましい。突出部又はスロットが１８０°からオフセットしている場合、このオフセットは、１８０°の位置から４０°未満であることが好ましい。

異なる数の混合器ブレードを使用できるが、好ましい構成は、管の幅の少なくとも大部分にわたって延びる固定混合器ブレード、及び１つの可動混合器ブレードである。混合器ブレードの幅は、管の直径を横切る寸法をいう。混合器ブレードの長さは、管の長軸に沿った長さをいう。混合器ブレードの幅は、管直径の４０％より大きいことが好ましく、管直径の６０％より大きいことがより好ましく、管直径の８０％より大きいことがさらに好ましい。可動混合器ブレードの幅は、自由に回転できることを保証するように、管の内径より小さい。可動混合器ブレードと管壁との間の間隙は、上部において２ｍｍ又はそれより大きく、底部において５ｍｍ又はそれより大きいことが好ましい。用途に応じて、より大きい又はより小さい間隙が必要とされる。混合器ブレードの長さは、取り付けのために実際的な最大長さ及び材料の強度によって決まる。代替的に、混合器ブレードの長さは、段分離のためにバッフルを使用する場合に必要とされる混合段の数によって決まることもある。

混合アセンブリ内の静的及び可動混合器ブレードは、実質的に、図５に示されるような管と同じ長さを占めることが好ましい。実用上の理由で、可動混合器ブレードは、一般に、自由な回転を可能にするように固定混合器ブレードより短い。管の長さを占める混合器ブレードを有する目的は、静的ブレードと可動ブレードとの間に容積空間を生成することである。ブレード間の角度が変化すると、プロセス材料は、穴又はスロット又はブレード内の側部ギャップを通過し、混合をもたらす。

管の往復運動は、異なる方法で駆動できるが、好まし方法は、ベルト駆動式である。

管の少なくとも一端に、より好ましくは管の両端に、取り外し可能なシールプレートが設けられることが好ましい。プレート（単数又は複数の）が管の端部又は両端から除去されると、混合アセンブリを挿入又は除去するために、管の全内径へのアクセスが必要とされる。

異なる材料の構成を用いることができ、２つの重要な要件は、適切な機械的強度、及び腐食及び／又は侵食の影響に抵抗するためにプロセス材料と適合性があることである。幾つかの用途において、管は、ガラスライニング鋼で製造される。管はまた、必要に応じて種々の他の材料で製造することもできる。例として、ステンレス鋼、ハステロイ、炭素鋼、プラスチックライニング鋼、タンタルライニング鋼、エキゾチック金属又は合金、セラミック材料、ガラス、プラスチック及び強化プラスチックが挙げられる。

混合器アセンブリの構成部品は、上述のような管と同じ材料で製造することができる。しかしながら、一般的に混合器アセンブリにかかる機械的応力が一般的により低い場合、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ポリプロピレン、ポリイミド、好ましくはこれらの材料の繊維入り及び複合物といった、非金属材料をより多く利用することができる。

管内で用いられるべき動作温度及び圧力は、関与する混合又は反応用途に応じて変化する。一般的なコメントとして、材料及び厚さの正しい選択に従って、この混合システムは、完全真空から３００バール又はそれを上回るまでの幅広い圧力を処理する。同様に、この混合システムは、１００℃未満から３００℃を上回るまでの温度を処理する。

供給材料を製品とは別個に保持するために、管の長さ対直径の高い比は、好ましい。管の長さは、直径の４倍に等しいか又はそれより大きいことが好ましく、直径の６倍に等しいかそれより大きいことがより好ましく、直径の８倍に等しいかそれより大きいことがさらにより好ましい。長さ対直径のより高い比は、プラグ流れにより近い混合器又は反応器の全体にわたる流れの利点をもたらす。

管の回転速度は、必要に応じて、１０分当たり１サイクル未満から毎秒１サイクルを上回るまで変化する。本明細書でのサイクルとは、混合ブレードがその元の位置に戻る、回転の２つの完全弧をいう。質量移動制限プロセスにおいて、好ましい回転速度は、４秒当たり１サイクルを上回り、より好ましくは、２秒当たり１サイクルを上回り、さらにより好ましくは、毎秒１サイクルを上回る。均一流体との反応のために、最小回転速度は、４秒当たり１サイクルを上回らなくてはならず、さらにより好ましくは、２秒当たり１サイクルを上回る。

好ましい管直径は、単位長さ当たりの必要な容積、同じく熱伝達領域と容積との必要な比に応じて変わる。好ましい直径は、５００ｍｍ未満であり、３００ｍｍ未満がより好ましい。直径が５００ｍｍより大きい管を用いることもできる。

供給及び排出管は、管の回転運動に適合させる必要がある。このための好ましい解決法は、可撓性ホースを使用することである。十分な長さを有し、運動に適合するように曲がる中実パイプのような他の方法を用いることもできる。回転シールを有する中央に取り付けられた管を用いることもできる。熱伝達流体が用いられる場合、上記と同様の構成も必要とされる。

キー固定要素が突出部である場合、突出部の形状は、必要に応じて変えることができ、種々のプロファイルとすることができ、これらに限定されるものではないが、正方形、矩形、リップ付き矩形、半円形（図１に示されるような）、又はこれらの変形を含む。突出部の断面積は、必要に応じて変化する。これは、印加される力、管の直径、及び交差ブレース材料の強度を考慮に入れた技術的原理に基づいて判断される。キー固定要素は、管に沿った１つ又は複数の位置にあってもよいが、より好ましくは、これらは、混合器アセンブリの挿入をより簡単にするために、管の長さに沿って連続している。管内の配置手段は、管内に切り込まれた溝として作成することもできる。溝の形状は、種々のプロファイルに切削することができ、これらに限定されるものではないが、正方形、矩形、リップ付き矩形、半円形、又はこれらの変形を含むことができる。

突出部が用いられる場合、それらを、ボルト又はねじを用いて管に取り付けることができ、接着又は接合のような他の手段により固定することもできる。しかしながら、突出部を管に溶接することが好ましい。このことは、その場で（ｉｎ ｓｉｔｕ）管上に溶接することによって、又は管を長手方向に若しくは断面に切削し、突出部を管の内部に溶接し、次に管の片を再結合することによって、行うことができる。

管端部プレートが除去されると、混合器アセンブリは、管端部を介して内外に摺動することができる。混合アセンブリが除去されると、管は空となり、容易に洗浄することができる。混合器アセンブリは、管内に摺動し、ねじ又は他のタイプの固定要素なしで必要な位置に保持することができる。混合器アセンブリは、管内で互いに押し付けられることによって、管に沿って動くことができない。このことは、管端部プレート、ばね、スペーサ、又は他のそうした手段による運動の制限のような種々の方法により、達成することができる。

可動混合ブレードのためのピボット点は、可動部品、非可動部品、又はその両方上のスリーブ又は摩耗パッドを用いることができる。これらは、回転に対する抵抗を低減さるように機能し、低コストの交換部品としても機能することができる。

管の回転弧は管の中心軸付近であることが好ましく、中心軸にあることが好ましい。可動混合器ブレードを支持するピボット機構の好ましい位置は、管の回転の中心軸付近であり、中心軸であることがより好ましい。このことは、より直径が大きい可動混合器ブレード及び可動混合器ブレードの効率的な回転運動を可能にする。

本明細書で説明されるアクティブな混合と組み合わされた長さ対直径の比のために、これは、プラグ流れに近い条件を与える連続反応システムである。機械的撹拌と組み合わされたバッフルにより分離された５つ又はそれより多い混合器アセンブリを用いることによって、これは、直径に対する管の長さに関係なくプラグ流れを与える連続反応システムである。

上述した手段による機械的撹拌のために、入口点と排出点との間の管の全作業容量が混合され、必要に応じて、混合されない区域を排除することができる。これは、良好な混合性能を与え、固形粒子及び他の多相混合物の処理を可能にする。

本明細書で説明される構成は、高い行程容積での効率的な混合をもたらす。この構成はまた、管内の駆動軸を回転させる必要性、機械的シール、及び磁気結合を排除する。

１：管
２：管の側面支持部
３：交差ブレース
４：交差ブレース内のスロット
５：固定混合器ブレード
６：固定混合器ブレード上のスロット
７：可動混合器ブレード
８：ピボット機構
９：カウンターウェイト
１０：混合器アセンブリ
１１：バッフル

Claims (19)

1. 混合要素を管（２）内に保持するための、キー固定要素を有する管（１）を含む混合システムであって、これにより前記管は、前記管の長軸の周りで弧状に往復運動するように回転し、前記混合要素は前記管とともに動くことを特徴とする、混合システム。
2. 前記キー固定要素は突出部であることを特徴とする、請求項１に記載の混合システム。
3. 前記キー固定要素はスロットであることを特徴とする、請求項１に記載の混合システム。
4. 固定混合器及び可動混合器を備えた少なくとも１つの混合器アセンブリ（１２）を含み、前記管に対する前記固定混合器ブレードの位置は、前記１又は２以上のキー固定要素により適所に保持されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の混合システム。
5. 前記固定混合器は、２又は３以上のキー固定要素により支持されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の混合システム。
6. 前記固定混合器は、前記キー固定要素と係合する交差ブレース（３）により適所に保持されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の混合システム。
7. 前記混合アセンブリ（１０）は、前記管の端部から前記管内の位置に摺動させることができ、それにより前記混合アセンブリ（１０）は、前記混合アセンブリと前記管との間の機械的締結なしに、必要な位置に留まることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の混合システム。
8. プラグ流れを有する連続反応システムであることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の混合システム。
9. 前記反応器内に取り外し可能な混合要素が設けられた、長手方向軸の周りに弧状に往復運動するように回転することができる管を含み、前記固定混合要素を前記管状混合器又は反応器内に保持するための手段が提供され、前記固定混合要素は、前記混合器又は反応器の運動とともに動くことを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の管状反応器又は混合器。
10. 前記管の前記往復運動に関係なく、自由に動くことができる前記管状混合器又は反応器内の可動混合器ブレードを含むことを特徴とする、請求項９に記載の管状反応器。
11. 管状混合器又は反応器の内壁に取り外し可能に取り付けられ、それにより前記管状混合器の往復運動で移動する混合要素を収容し、さらに前記管状混合器又は反応器の前記往復運動とは無関係に前記反応器内で移動可能な自由混合要素を収容する、往復運動可能な管状混合器又は反応器を備えることを特徴とするアセンブリ。
12. 前記自由混合要素は、前記固定混合要素を前記管状混合器又は反応器の前記内壁に取り外し可能に保持するようにも機能するブレースによって、前記管状反応器又は混合器内に保持されることを特徴とする、請求項１１に記載のアセンブリ。
13. 前記管（１）は、ガラスライニング鋼で作成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の混合システム又はアセンブリ。
14. 混合方法であって、
    管の一端にプロセス材料を供給するステップであって、前記管は、長手方向軸の周りに弧状に往復運動するように回転しかつ混合器又は反応器とともに動く取り外し可能な混合要素を収容する、ステップと、
    前記管の他方の端部から材料を引き出すステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
15. 前記管はまた、前記管の前記往復運動とは無関係に自由に動くことができる、前記管内の可動混合器を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記プロセス材料は流体であることを特徴とする、請求項１４〜請求項１５のいずれかに記載の方法。
17. 反応を含むことを特徴とする、請求項１４〜請求項１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記管の長さは、直径の４倍と等しいか又はそれより大きいことを特徴とする、請求項１４〜請求項１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記管の前記往復動回転は、４秒当たり１サイクルを上回ることを特徴とする、請求項１４〜請求項１８のいずれかに記載の方法。

Images