JP4282094B2 - 混合物を分解する方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合物の第１の部分及び第２の部分への分解に関するものであり、これらの部分は少なくとも一つの成分あるいは構成要素だけ互いに異なっており、後者に対しては、前記混合物の分解中に実施される適当な分離技術を使って少なくとも部分的に分離されることが可能である。
蒸留、液-液抽出、濾過あるいは固体の系統的洗浄のような多くの化学工学操作においては、環流あるいは逆流の存在を必要とする。この操作にしばしば必要不可欠なこの逆流は、分離相の密度の差が十分大きく存在するときにはこの差を利用して、重力によって通常得られる。
相の密度の差が十分には大きくないときの同質相あるいは不均質相における分離の場合のように、環流あるいは逆流を生成することが可能な物理的手段が存在しないかあるいは不十分であるときには、他の方法をとることが必要になる。
気体相あるいは気体拡散による分留を分離するためには、環流は、流れの一部を圧縮しそれを分離装置に再注入した後で各段階においてその流れの一部を抽出することによって供給されなければならない。
同様に、少なくとも一つの液相あるいはその分留及び少なくとも一つの固相あるいはその分留を含む操作にとっては、濾過あるいは遠心、ケークの除去、前記固相を懸濁液に戻すこと、ポンピング、そして最後の濾過への再導入のような連続的な操作を行うことが必要である。
使用すべき多くの手段は実施するにはしばしば複雑過ぎ、また装置及び制御手段が高価−それらには、かなりの運転費及び維持人件費、並びに高いエネルギー費も含んでいる−である。また、これらの手段は混合物あるいは処理中の混合物を分解する装置の信頼性における否定的な側面も有する。
米国特許第2,609,277号明細書は、ポーラスあるいは多孔質の壁、あるいは他のポペットを含むが両方は含まない、液体／液体及び気体／液体用のカラムに関するものである。従って、一つのステージから別のステージへの通過はポペットによって制御されるが、同時の濃縮あるいは枯渇操作はない。
気体／固体／液体交換用に意図された、米国特許第4,133,714号明細書に記載されたパルス装置においては、ステージは開口を有する多孔質の壁によって分離される。しかしながら、可動シャッターは使用されていない。そのため、パルスをかけている間、液体はステージに自由に入り、かつ自由にステージを出ていく。
独国第25 02 371号公開公報はパルス液体／液体交換用の従来型のカラムを記載している。ステージを分離する多孔質の壁は開口あるいはフィルターを備えているが、両方は備えていない。使用されるピストンは、対応するシリンダーをそのシリンダーを通り過ぎて離れることは決してない。
露国第628,940号公開公報は固体／液体交換用装置を記載している。振動するステージは、一部固体の多孔質トレイによって分離され、フィルターは含んでいない。
本発明は、分離機能するを供給する部材あるいは手段と再循環機能あるいは環流機能を供給する部材あるいは手段とを結合することによって、これら様々な欠点の全てあるいは一部を改善することを目的とする。
再循環という用語によって、環流あるいは逆流の生成を含む混合物の分解用の容器への少なくとも一つの流れのいかなる回帰をもここでは意味することを理解すべきである。
図１によれば、本発明による分解プロセスによって、一つの混合物を少なくとも第１及び第２の部分にそれらが互いに少なくとも１つの元素の化合物の分だけ異なるように分解することが可能になる。このプロセスは、少なくとも２つの流入、すなわち、前記第１の部分において枯渇した第１の流入（１０）、及び、前記第２の部分において枯渇した第２の流入（１１）、を互いに接触するようにして、２つの流出、すなわち、前記第１の流入（１０）に比較して第１の部分において濃縮した第１の流出（１２）と前記第２の流入（１１）に比較して第２の部分において濃縮した第２の流出（１３）とを得る、複数の基本的分別の段階を備え、非定常な前記基本分別段階を質量交換用のバッファボリューム（１５）が蓄積される基本分別ステージ（１４）で実施し、かつ、開始しかつ周期的に繰り返す前記基本的分別段階が少なくとも以下の小段階；
ａ）前記第１の流入（１０）を得るために、濾過、気体拡散、吸着、吸収、及び逆浸透からなるグループから選択される分離技術を使用して、前記第１の部分において比較的豊富な第１の流れ（１６）の第１の部分において枯渇する小段階と、
ｂ）前記バッファボリューム（１５）において前記第１の流入（１０）を導入及び混合し；それから前記バッファボリューム（１５）において前記第２の流入（１１）を導入及び混合する小段階と、
ｃ）前記バッファボリューム（１５）から第１の流出（１２）を抽出し；それから前記バッファボリューム（１５）から第２の流出（１３）を抽出する小段階と、を備え、
前記第１の流れの第１の部分における枯渇（４）を前記第１の流入（１０）の導入と同時に行い、
前記第１の流入（１０）の導入を前記第１の流出（１２）の抽出と同時に行い、
前記第２の流入（１１）の導入を前記第２の流出（１３）の抽出と同時に行い、
前記第２の流出（１３）の抽出を前記第１の流入（１０）の導入の間遮断し、かつ前記第１の流入（１０）の導入を前記第２の流出（１３）の抽出の間遮断し、
前記第２の流入（１１）の導入を前記第１の流出（１２）の抽出の間遮断し、かつ前記第１の流出（１２）の抽出を前記第２の流入（１１）の導入の間遮断する。
本発明はさらに以下の組立方法：
−前記バッファボリューム（１５）の物理的状態は均質相あるいは不均質相における質量交換に対して適切であり、この交換は液体／液体、液体／気体、液体／固体、気体／固体、気体／気体、気体／液体／固体交換から選択し、
−図２から図７の運転装置に関連して記載したように、以下の小段階、すなわち、第１の流入（１０）の導入、第２の流入（１１）の導入、第１の流出（１２）の抽出及び第２の流出（１３）の抽出のうちの少なくとも一つを前記分別ステージ（１４）のいずれかの側に存在する圧力差に作用することによって開始し、
−先のパラグラフに記載した少なくとも一つの小段階は、前記バッファボリューム（１５）の前記第１の部分の組成及び／又は前記第２の部分の組成に依存して制御し、
−各分別ステージにおいてこのバッファボリュームに乱れを生成する
を含む。
まとめると、本発明によるプロセスは、上述のようにいくつか基本分別段階を有してもよく、それらの段階は、そのいくつかの連続する基本分別段階のそれぞれにおいて、一あるいは一以上の混合物から出発して、前記第１の部分において濃縮された少なくとも第１の流出流と前記第２の部分において濃縮された少なくとも第２の流出流とを得ることによって、系統的に実施する。
添付された図２から図７に示した通りに組み立てるためには、先に定められたプロセスに従う装置は限られた例では記述できない。この装置は、２つの空間（E₁,E₂）の一方の側に作られた壁（P₁）を備えたことを特徴としており、前記２つの空間は、運転の際に異なる圧力（Pr₁,Pr₂）が得られ、前記装置は：
ａ）シャッター（３）に備えられた少なくとも一つのオリフィス（２）と、
ｂ）必要ならば、シャッター（５）に備えられた少なくとも一つの分離部材（４）とを含み、
前記オリフィス（２）と前記シャッター（３）と前記分離部材（４）と必要ならば前記シャッター（５）とは、材料の流れが、Pr₁がPr₂より大きいときには前記オリフィス（２）を通り抜けていき、Pr₂がPr₁より大きいときには前記分離部材（４）を通り抜けていくように配置され、及び／又は設計されている。
一実施形態によると、シャッター（３）と必要ならばシャッター（５）を備えた分離部材（４）とが、添付図面３に示したように、単一の機械的部材として一体に結合される。
他の実施形態によると、分離部材（４）は、添付図面４に示したように、壁（P₁）の一部と省略されるシャッター（５）を形成する。
本発明の主題は供給及び放出部材を備えた容器でもあって、その容器が：
ａ）互いに同一あるいは異なる先に定義されたような複数（Ｎ）の装置と、
ｂ）少なくとも一つのオリフィス（２）とそのシャッター（３）と少なくとも一つの分離部材（４）と必要ならばそのシャッター（５）とを備えた壁（P_X）から成る各ステージと、を備え、
前記装置の壁（P₁からP_Nまで）が幾何学的に同一あるいは異なる空間（E₁からE_N-1まで）の数（N+1）を決め、運転中はステージＸの各壁（P_X）側においては、Pr_XからPr_X-1までの異なる圧力となり、
前記オリフィス（２）と前記シャッター（３）と前記分離部材（４）と前記シャッター（５）とは、材料の流れがPr_XがPr_X+1より大きいときには前記オリフィス（２）を通り抜けていき、Pr_X+1がPr_Xより大きいときには前記分離部材（４）を通り抜けていくように配置され、及び／又は設計されており、
ｃ）前記ステージのスタックは、前記材料の流れの全量あるいは一部がそのスタックを通り抜けていくように配置及び／又は設計されている、
ことを特徴とする。
本発明による装置は、先に指摘しかつ図２で特に示したように、少なくとも一つの分離部材（４）を含む壁（P₁）を備えている。
この部材は、採用した分離技術に依存して、特にフィルター、気体拡散バリア及び吸着、吸収、限界濾過、および逆浸透から選択されるものである。それらの技術は当業者には周知のものであり、かつそれらを通り抜ける媒体の組成を変化させることを意図したものである。
これらの分離部材（４）はシャッター（５）を備えてもよい。当然、シャッター（３）及び、シャッター（３）があるときにはシャッター（５）とは可動である。
本発明による装置が有する他の有利な変形及び／又は特徴は、本明細書を読み進めていくと明らかになるだろう。
本発明の主題は、このような装置を複数有する容器でもある。このような装置（Ｄ）は、添付図面５に図示されている。
等しいことが必要とされていないN+1個の空間（Ｅ）を定めるもので、寸法の同一が必要とされていない多くの（Ｎ）の要素（P_X）が、
図示されていない通常の排水装置、安全装置、制御装置あるいは検査装置とは別に、様々な供給装置（Ｖ_x）及び排水装置（V_A,V_B）を備えた容器（Ｄ）内に配置されている。
特に有利な運転モードによると、容器に導入された処理媒体は、電気的、機械的、外部からあるいは内部からの交互の圧力パルスを発生する適当な手段によって、処理用の流れのパルス注入及び得られた生成物のパルス抽出にされる。
図２を参照すると、各装置では、Pr₂がPr₁より大きいときには前記オリフィス（２）を通り抜けていき、Pr_X+1がPr_Xより大きいときには前記分離部材（４）を通り抜けていくように配置され、及び／又は設計されており、シャッター（５）があるときはシャッター（５）は圧力差の効果の下で自発的に開位置に配置され；同時に、同様のやり方で、シャッター（３）が閉じられる。圧力差の効果により、空間（E₂）に含まれている媒体は分離部材（４）を介して空間（E₁）へ送られ、完全にあるいは部分的に、所望の濃縮あるいは枯渇に至る。
圧力パルスの半周期によって圧力Pr₁が圧力Pr₂より大きくなったときには、シャッター（３）が開き、かつシャッター（５）があるときにはシャッター（５）は閉じる。圧力差の効果の下では、空間（E₁）に含まれている媒体はオリフィス（２）を通り抜けて空間（E₂）へ入り、所望の環流、循環、あるいは逆流を形成する。
交互パルス発生部材は、Pr₁とPr₂との間の圧力差を再度逆にし、結果的に、分離部材を通り抜ける流れの方向も逆にする。
周期及び振幅が本発明の装置あるいは容器の数あるいは寸法の特性のように処理媒体の組成及び処理量に依存する周期的な繰り返しのパルスは、容器（Ｄ）の全分離部材に応用されるときには、固体の系統的な洗浄／抽出用の、特に蒸留カラム、液体／液体抽出カラムあるいはシステムにおいて、他の方法で通常得られるものと同様の環流あるいは逆流を得ることを可能にする。
第１の実施形態によると、使用に依存して再生あるいは脱離操作を容易にし、かつこの目的にために使用された手段の分離特性を維持し、延長し、あるいは回復する傾向を有する分離部材４を通って反対方向に部分的な流れを生じさせるために、圧力Pr1が圧力Pr2より大きくなったときには、シャッター３の開口は、特に外部制御及びスプリングポペットのような適当な部材によって遅延されてもよい。
図示していない他の実施形態によると、分離部材の間に形成された空間には、ターブレーター（turbulator）あるいはパルセーターを備えてもよく、これらは圧力パルスの効果によって活動状態あるいは不動状態となるが、これは、特に圧縮性媒体の処理の場合には、本発明によるプロセスの適切な実現のために必要なパルスを作るため、あるいは、作動によって被るヘッドの損失あるいは分離手段を通過するときの流れに起因した減衰を改善するためである。
他の実施形態によって、図６は、気体の処理に対して適した、空気から気体を分離することを特に目的とした容器を示している。
ほぼ環状断面の容器（Ｄ）が本発明による大型平面装置（P₁,P₂,…,P_x,…,P_N-2,P_N-1,P_N）を含み（Ｎ）、それらの数及び特性が、シャッターを含まない気体拡散モジュール４の性能特性と同様に、特に作動圧力、処理量、及び組成に依存して、当業者にそれ自体周知の方法で決定されてもよい。
シャッター３は、それ自体の重さのもとで戻るポペットである。
機器は、同一あるいは異なり、また全断面（空隙）（Ｄ）を占有せず、さらに本発明による装置間に配置されているとともに、垂直にかつ実質的にシールされた状態で前記装置を貫通するシャフト（Ｚ）によって共に結合された、複数Ｎの固定プレート（A₁,A₂,…,A_x,…,A_N-2,A_N-1,A_N）から成る機械的パルス発生部材を備えている。
シャフト／プレート集合体は、制御された振幅及び制御された周期あるいは振動数を有しかつ容器Ｄの軸Ｚにに平行に振動する運動を発生する空気入りモータＭによって駆動される。
従って、プレート（A₁,A₂,…,A_x,…,A_N-2,A_N-1,A_N）の各々は、シールされていないピストンに類似しており、本発明による２つの装置を分離する空間において交互に駆動される。
一定圧力V₁とされた空気が機器内で分別されて、それぞれV₂とV₃で収集された酸素濃縮流出及び酸素欠乏流出へ送られる。
システムの制御、分析及び安全手段については示されていない。
他の実施形態によると、図７は、液体によって固体を処理するのに適した、選択された抽出溶媒に据えない粉状で植物派生のあるいは木製の基板に含まれた芳香性成分の系統的な抽出を特に目的とした容器を示している。
容器（Ｄ）は、本発明による装置（P₁,P₂,…,P_x,…,P_N-2,P_N-1,P_N）を含み（Ｎ）、それらの数及び特性が、シャッターを含まないフィルター（４）の性能特性並びに、特に処理量及び組成に依存して、当業者にそれ自体周知の方法で決定されてもよい。
シャッター（３）は、流れがオリフィス（２）に従って流れようとするときには、フィルター（４）を通る一時的な逆流を引き起こすため、圧縮状態のバネによって元に戻るポペットであり、前記フィルターの障害物を除去し、また蓄積した固体するのを助ける。
容器（Ｄ）の上部は加圧状態で維持される不活性ガスのポケット（Ｒ）である。
適量の溶媒を有する粉末植物物質から成る、処理されるべき未使用のストックは、装置（P_N）の下で（V₁）で入れられる。
枯渇し、新鮮で、及び／又は再生された溶媒はV₂で周期的な流れによって容器（Ｄ）の下部に入れられ、一方、大気圧に近い圧力で維持された図示していないタンク内へV₄で放出された使用済みストックも周期的に抽出される。V₂での供給及びV₄での放出は交互に行われている。そのため、交互の流れは容器（Ｄ）に留まり、これらの流れは本発明による装置のスタックを通って、結果的に連続した濾過・再循環段階の所望の結果につながっていく。
分解された芳香性成分において濃縮された溶媒の流れは、初期に未使用ストックに含まれていた芳香性成分が収集される図示していない再生システムにおいて処理されるように、容器（Ｄ）の頂上のV₃で抽出される。
添付の図８を参照すると、図７を参照して説明されたものと類似の装置が説明され、この装置によれば、“スラグ”から二酸化チタンを製造するいかなる従来型のシステムにおいての得られるように、硫酸チタンの加水分解から得られる無水チタン酸の懸濁液を洗浄することによって二酸化チタンを生成することが可能である。
無水チタン酸の懸濁液が200リットルドラム５１に収容され、低速回転プロペラかくはん機によって均質化される。この懸濁液は蠕動ポンプによって洗浄カラム５２のトレイ７５に送られ、本発明のプロセスに従って操作される。こうして送られた懸濁液は図８において符号“Ｆ”で示す。
洗浄された生成物はカラム５２の底から抽出され、容積式膜ポンプP₂を介して低速回転プロペラによって攪拌されるドラム５３に送られる。洗浄された生成物は、図８において符号“Ｐ”で示す。
符号“Ｗ”で示された洗浄水は、容積式ポンプによって一定のサイクルでかつ前述の容積式ポンプとは反対の位相で導入され、ポンプの行程容積はバッファ容積の抵抗あるいはカラム５２のトレイ３０での媒体に依存して自動的に調整される。
図８において符号“Ｄ”で示され、いくつかの洗浄液によって希釈された含浸主液体は、カラム５２の頂上から自然流出によって引き出される。
カラム５２は、鋼及びガラスでできた直径160mmのバレルから成る。補強塩化ビニール（ＰＶＣ）から成る様々なトレイは、20mm間隔で離間して配置されている。各トレイは、ポペットによって閉じられた6cm²のオーダーの面積を備え100cm²のオーダーの単体濾過面積を有している。濾過は、例えば、ＰＴＥＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の布によって行う。この濾過は上昇方向で行うが、ポペットは下降方向に開口している。
行程が可変な容積式ポンプは、500cm²のオーダーの面積を有する行程容積を有している。脱イオン水用のポンプは、上記で示したように、トレイ３０での抵抗に依存して制御される。さらに、洗浄済み生成物に割り当てられた容積式ポンプは、前述のポンプと反対位相に手動で調整される。それは、カラム５２における交互の流れを発生するポンプP₁とP₂とが反対位相であるということである。
６時間安定された後得られた結果が、以下の表に示されている。洗浄水の限界量を使用しかつ含浸液を過度に希釈することなく、廃水の量を最小限にするために、従来型のカートリッジフィルターにおける３つの連続の濾過／洗浄／レバルビングに対応する品質が得られる。

本発明は以下の領域で応用可能である。
−気体の分離：
・気体流、U₂₃₈F₆及びU₂₃₅F₆の混合物のU₂₃₅同位体の濃縮，
・空気からの気体の分離：酸素、窒素、希ガス，
・共沸混合物を形成する化学分子の分離，
−気体-固体接触：
・低密度固体相の化学処理あるいは含浸，
・抽出-再生-再循環触媒を伴う不均質触媒，
・気体／固体反応
−液体／固体接触：
・低バルク密度の鉱石処理
・触媒の系統的洗浄
・抽出-再生-再循環触媒を伴う化学反応の不均質触媒，
・香気成分、薬成分の抽出
・栄養素の精製
・固体の分解
−気体／液体／固体接触：
・不均質触媒における気体-液体化学反応（水素化、酸化、アルキル化）
−液体／液体不均質接触：
・逆浸透、イオン交換
さらに、これらの応用はいたるタイプの産業においても見つけられる。

Claims (7)

1. 混合物を少なくとも第１及び第２の部分に、それら２つの部分が互いに少なくとも１つの元素の化合物だけ異なるように分解する方法が、少なくとも２つの流入、すなわち、第１の部分において枯渇した第１の流入（１０）と前記第２の部分において枯渇した第２の流入（１１）とを互いに接触させて、２つの流出、すなわち、前記第１の部分において前記第１の流入１０に比較して濃縮した第１の流出（１２）と第２の部分において前記第２の流入（１１）に比較して濃縮した第２の流出（１３）とを得る、複数の基本分別段階を備え、非定常な前記基本分別段階を質量交換用のバッファボリューム（１５）が蓄積される基本分別ステージで実施し、かつ、開始しかつ周期的に繰り返す前記基本的分別段階が少なくとも以下の小段階；ａ）前記第１の流入（１０）を得るために、濾過、気体拡散、吸着、吸収、及び逆浸透からなるグループから選択される分離技術を使用して、前記第１の部分において比較的豊富な第１の流れ（１６）の第１の部分において枯渇する小段階と、ｂ）前記バッファボリューム（１５）において前記第１の流入（１０）を導入及び混合し；それから前記バッファボリューム（１５）において前記第２の流入（１１）を導入及び混合する小段階と、ｃ）前記バッファボリューム（１５）から第１の流出（１２）を抽出し；それから前記バッファボリューム（１５）から第２の流出（１３）を抽出する小段階と、を備え、前記第１の流れの第１の部分における枯渇（４）を前記第１の流入（１０）の導入と同時に行い、前記第１の流入（１０）の導入を前記第１の流出（１２）の抽出と同時に行い、前記第２の流入（１１）の導入を前記第２の流出（１３）の抽出と同時に行い、前記第２の流出（１３）の抽出を前記第１の流入（１０）の導入の間遮断し、かつ前記第１の流入（１０）の導入を前記第２の流出（１３）の抽出の間遮断し、前記第２の流入（１１）の導入を前記第１の流出（１２）の抽出の問遮断し、かつ前記第１の流出（１２）の抽出を前記第２の流入（１１）の導入の間遮断する、混合物を分解する方法。
2. 前記バッファボリューム（１５）の物理的状態は均質相あるいは不均質相における質量交換に対して適切であり、この交換は液体／液体、液体／気体、液体／固体、気体／固体、気体／気体、気体／液体／固体から選択することを特徴とする請求項１に記載の混合物を分解する方法。
3. 以下の小段階、すなわち、第１の流入（１０）の導入、第２の流入（１１）の導入、第１の流出（１２）の抽出及び第２の流出（１３）の抽出の少なくとも一つを前記分別ステージ（１４）のいずれかの側に存在する圧力差に作用することによって開始することを特徴とする請求項１に記載の混合物を分解する方法。
4. 以下の小段階、すなわち、第１の流入（１０）の導入、第２の流入（１１）の導入、第１の流出（１２）の抽出及び第２の流出（１３）の抽出の少なくとも一つを前記バッファボリューム（１５）の前記第１の部分の組成及び／又は前記第２の部分の組成に依存して制御することを特徴とする請求項１に記載の混合物を分解する方法。
5. 乱れを各分別ステージにおいてバッファボリュームに生成することを特徴とする請求項１に記載の混合物を分解する方法。
6. いくつかの基本分別段階を備え、それらの段階を、いくつか連続する基本分別段階のそれぞれにおいて、一あるいは一以上の混合物から出発し、前記第１の部分において濃縮された少なくとも第１の流出流と前記第２の部分において濃縮された少なくとも第２の流出流とを得ることによって、系統的に実施することを特徴とする請求項１に記載の混合物を分解する方法。
7. 前記基本分別段階を同じ周期で一つの分別段階から他の分別段階へ同一の方法で繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の混合物を分解する方法。

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