JP4966976B2 - 耐閉塞性のガス分布を伴うループリアクター - Google Patents

Description

本発明はループリアクターに関しており、当該ループリアクターは、ループリアクターの内部空間に配設されリアクター内容物を循環するための、ガイド装置を有している。その際上記ガイド装置は少なくとも一つの中央供給装置を有しており、上記中央ガス供給装置にはガイド装置へガスを充填（チャージ）するためのガス分布装置が取付けられている。

ループリアクターはプロセス工学において多方面で利用されている。その際、液状媒体又は可流性媒体は、リアクター内でリアクター内容物を循環しながら処理される。リアクター内容物は、中央ガイド装置によって例えば垂直なガイドパイプによって、リアクター内部空間で、例えば下から上へ導かれ、又、ガイドパイプの外側で再度下方へ流される。ガイドパイプ内で上方へ向かう流れを生じるため、ガイドパイプの下部領域にガスが導かれる。それにより、リアクター内容物はリアクター内で還流（ループ流）の形で循環される。

内部ループを有するその主のループリアクターは、完全に混合される嫌気的懸濁リアクターとして、特には生分解性物質を含む懸濁液から例えばバイオ廃棄物又は再生可能な原料から、バイオガスを獲得するために利用される。この原理は例えばとりわけ特許文献１又は特許文献２に記載されている。その際浸漬されて、中央ガイドパイプ内へバイオガスが送り込まれる。外側の液面に対して減少したガイドパイプ内の混合物密度により、液体内での圧力差が生じる。この圧力差はガイドパイプ内で上昇流を引起す。吹き込まれるバイオガスは、効果的な混合形成を保証するために、ガイドパイプの断面に渡って、可能な限り均一に又可能な限り細かい気泡で分布されるべきである。

小さい直径のガイドパイプの場合、頻繁に外側に、ガスを案内するリングラインが設置され、上記リングラインからは開口部を介して、ガスが、内側でガイドパイプの周囲にて流出する。断面に渡る分布が達成されないので、より大きな直径のガイドパイプには、この原理は有効ではない。それらは液面下およそ１４ｍよりも深く位置するガス供給ノズルの場合、静圧に起因して、駆動圧差にそれ以上の重要な寄与をもたらさないので、同様に、ガイドパイプエントリーの下のリアクター底の中央供給ノズルは大きな発酵リアクターには有効ではない。しかしながら、対応する深さでガスを充填するためのコンプレッサーの出力は工面されなければならない。

これらの理由から、大きなリアクターの場合は頻繁に、リアクタールーフから浸漬されるランスが取付けられ、それらは好ましくは液面下７ｍから１２ｍの間でバイオガスを供給する。その際、従来技術に従い２つの代替が存在する。それらは以下に述べる長所及び短所を有する。

１つ目の代替は、下端部に取付けられる３つから７つ特には５つの小径のガス分配パイプを備える中央ガス供給パイプの使用を想定している。上記ガス分配パイプはガイドパイプ内部の所望の部分円上でのガス放出を保証する、そして、それによって効率的な混合形成の用を成すべきである。このシステムは、ガス用の大径の供給パイプを使用できるという利点を有しており、上記供給パイプは大きな浸漬長に渡り、高い曲げ剛性及び振動剛性で（曲げ抵抗及び振動抵抗を有して）、設計することが出来る。しかしながら実際の実施においては、まさに高濃度の懸濁液例えば腐泥の場合、時間とともに付着物やケーキングにより閉塞し得る横方向へ延出する小径の分配パイプが、欠点である。それにより依然開放しているパイプから非対称に行なわれるガス放出は繊細なハイドローリックシステムの阻害を導く。

他の代替では、部分円上で別々に下方へ案内される個別のランスが取付けられる。それらをリアクタールーフから全長に渡ってガスの出口までクリーニングすることが出来るので、それらはより優れたクリーニング能力を提供する。しかしながら、力学的な要求に対して、個々のパイプのより小さい直径、及び、浮き部に与えられる駆動時のせん弾力、に基づく不十分な機械的安定性が問題である。

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本発明の課題は、一方では十分な座屈抵抗及び曲げ強度を保証し他方では目詰まり傾向が低い場合での効果的なガス分布を保証するように、ループリアクターのガス供給装置及びガス分配装置を発展させることである。

上記課題は、本発明にしたがって、ガス分配装置が下方へ開いたガスガイド要素として形成されており、その際上記ガスガイド要素が中央ガス供給装置のガス放出開口部の上方に配設されていることによって、解決される。

従来の構造は、パイプを介してガスを放出位置へ導くことを想定している。それに対し、本発明に従う構造は、少なくとも１つの中央ガス供給装置を有し、上記ガス供給装置を例えば安定した主要な中央パイプから構成することが可能で、上記中央パイプがループリアクター内で液面下へ所望の充填深さに達することを提案する。ガイド装置内の所望の放出部分円への、この中央ガス供給装置によるガス分配は、従来技術とは異なり、分配パイプを介して行なわれるのではなく、閉塞し得ない下へ開いたガスガイド要素を介して行なわれる。ガスガイド要素は特に、下側に開放した半円形状に湾曲した薄板として形成されている。中央ガス供給要素は合目的に、ループリアクター内に存する液面下まで達する垂直な供給パイプとして、形成されている。ガスガイド要素は特には、この供給パイプの外側に取付けられている。例えば、供給パイプを金属から形成する際、そして、半円形状に湾曲された薄板としてガスガイド要素を形成する際、それらを供給パイプに溶接することが出来る。使用状況に応じて、３つから７つの、好ましくは通常５つの、ガスガイド要素が、ガス放出開口部の高さで、パイプの周囲に渡って分布して供給パイプに取付けられている。そのようにして供給パイプのガス放出開口部は、ガスガイド要素の下へのガスの通過を可能にする。好ましくは、これらは水平方向に対して５°から４５°の間の角度で上方へ傾けられている。その際、１０°から２０°の間の傾角が特に有利である。ガスは浮力によって好ましくは凸にアーチ状のガスガイド要素の下を沿って外側の縁まで流れ、ガスはそこで気泡の鎖として分離する。ガスガイド要素は、合目的に横側のガイド面を有する。上記ガイド面は中央ガス供給装置のガス放出開口部周辺の領域で拡げられており、下方へ引き伸ばされている。それにより、ガスが乱れて通過する範囲で、横側でガスガイド要素下方へのガスの放出が避けられる。従ってガスは確実にガスガイド要素のガイド曲線（ガイド輪郭）に従う。

大容量のリアクター循環フローの開始後、ガイド装置内の上昇液流の速度は、ガスガイド要素下のガス流を支持し、また、輪郭の外側縁におけるせん断力による１０ｍｍから約３０ｍｍの間の所望の小径の気泡の連続体の形成を安定させる。その際、上記上昇液流の速度はプロセス固有に０．５ｍ毎秒から約１．４ｍ毎秒の間の値をとる。

本発明に従う装置の基本的な利点は特に、ガス充填系の耐久性及び耐閉塞性である。それは特に固形物（固体）を多く含む懸濁液の場合に、とりわけ経済的な継続駆動を可能にする。安定な中央パイプとして形成可能な中央ガス供給装置の使用は、そこに取付けられ下方に開いたガスガイド要素と結びつき、それら全てで高い座屈抵抗及び曲げ強度を有するガス充填系をもたらす。ガス供給装置は、簡単な方法、例えばパイプブラシ又は高圧クリーニングヘッドの挿入により、クリーニングされ得る。下方へ開いたガスガイド要素は閉塞し得ないので、ガス充填系のためのメンテナンスコストを全体として最小化出来る。

本発明が適しているのは、リアクター内容物がガイド装置を介して循環される考えうる全てのループリアクターであり、上記ガイド装置は推進ジェットを形成するためのガスにより作用されるものである。特別な利点により、バイオガスリアクターの場合、生分解性物質を含んだ懸濁液の処理のために、本発明を使用可能であり、そこでは例えばバイオ廃棄物又は再生可能な原料が発酵される。特に、再生可能な原料をバイオガスリアクター内で処理する場合、処理されるべき懸濁液中の個体含有量の多さに起因し、ガス充填系では高い目詰まりのリスクが存在する。本発明はここで決定的な利点を提供する。

図中に概略的に示される実施例の発明は、以下において、より詳細に説明される。

図１にはループリアクターの一部が記載されている。上記ループリアクターは、例えば完全に混合される嫌気的懸濁液リアクターとして、バイオ廃棄物又は再生可能な原料を処理するために使用可能である。ループリアクター内に内部プール流（インナループフロー）を形成するための、ガイドパイプとして形成されるガイド装置７が、ループリアクターの一部に示されている。ガイドパイプ７内には、ガスをガイドパイプ７内へ取り入れるための中央供給パイプ１が配設されている。供給パイプ１はリアクタールーフを通って上からランスとして挿入されている。供給パイプ１は、ループリアクター内に存する液面下に、穿孔として設計されるガス放出開口部３を有する。この領域では、ガスガイド要素２は供給パイプ１に溶接されており、上記ガスガイド要素は下側に開き半円形状に曲げられた薄板として形成されている。これらのガス分配要素２を介して、主要供給パイプ１からガイドパイプ７内の所望の放出部分円９へのガスの分配が行なわれる。その場合、主要パイプ１のガス放出開口部３は、ガスガイド要素２下へのガス通過を可能にする。上記ガスガイド要素は１０〜２０度の角度で上方へ指向されている。浮力によってガスは凸形状にアーチ形状のガスガイド要素下を外側の縁まで流れ、そこでガスは気泡の鎖として分離する。その場合、ガスガイド要素２に沿う、液流、ガス流は、自己クリーニング効果を生じ、そこでそれは、ケーキング及び付着物の堆積を洗い落とす。主要供給パイプ１、及び、ガスガイド要素２下のガス放出開口部３の領域は、駆動時に容易にクリーニング出来る。そのために、下部で開放する主要供給パイプ１は、ガイドセクションとして、ガス放出開口部３の下方に１００ｍｍから３００ｍｍ延ばされている。リアクタールーフ８の上では、供給パイプ１が既知の方法でブラインドフランジ５を用いて終端する。上記ブラインドフランジの下には、側方に供給パイプ１へのガス供給６が結合されている。クリーニング時には、このガイドをガスシステムのバルブを介して遮断することが出来る。そうして、解除されたブラインドフランジインプット５を介し、例えばパイプブラシ又は高圧クリーニングヘッド形状のクリーニング要素を、挿入可能で、そして、ガス放出開口部３の範囲まで下ろすことが出来る。この方法により、閉塞を機械的に、液圧的に、確実に取り除くことが出来る。下部領域でループリアクターの液面によって確実に閉ざされているので、クリーニングの間に主要供給パイプ１からの深刻なガスの放出は生じない。中央供給パイプ１の下部に開放したガイドセクション４は、ガス放出開口部３の高さでの作動時の、クリーニング要素の停滞を防止する。除去される固体は、供給パイプ１内で凝集するのではなく、下部開口部を通ってリアクターの液体中へ沈む。ここで静止状態の液柱は注入ガスに、より高くに存するガス放出開口部３からガスガイド要素２下方へ流れることを強いるので、駆動状態ではガス放出は生じない。

図２はガスガイド要素の詳細図である。そしてそれは凸状に湾曲した薄板であり、下へ開いている。ガス放出開口部３の範囲では、ガスガイド要素の側方ガイド面１０は伸長されており、下方へ引き延ばされている。それにより、ガスがガス放出開口部３を通って乱れて通過する範囲で、ガスガイド要素下でガスが側方に流出することが避けられる。従ってガスは確実にガスガイド要素２のガイド曲線に従う。

ループリアクターのためのガス充填系の断面図である。 ガスガイド要素の詳細図である。

符号の説明

１ ガス供給装置
２ ガス分配装置（ガスガイド要素）
３ ガス放出開口部
７ ガイド装置
１０ ガイド面

Claims (7)

1. リアクター内で循環する生分解可能な物質を含む懸濁液からバイオガスを生成するための嫌気性ループリアクターであり、内部空間に配設されリアクター内容物を循環するためのガイド装置（７）を有するループリアクターにして、その際上記ガイド装置（７）が構成要素として少なくとも１つの中央ガス供給装置（１）を有し、また上記中央ガス供給装置にはガイド装置（７）内部へガスを充填するためのガス分配装置（２）が取付けられているループリアクターにおいて、
   ガス分配装置（２）が、下方へ開き半円形状に曲げられた薄板として設計されるガスガイド要素として形成されており、水平方向に対して上方へ傾けられており、そして、中央ガス供給装置（１）のガス放出開口部（３）の上方に配設されていること、及び
   ガスガイド要素が、中央ガス供給装置（１）の周囲に渡って分布して、ガス放出開口部（３）の上方で中央ガス供給装置（１）に取付けられていること
   を特徴とするループリアクター。
2. 請求項１に記載のループリアクターにおいて、中央ガス供給装置（１）が垂直供給パイプとして形成されており、上記垂直供給パイプがループリアクター内に存する液面下にまで達することを特徴とするループリアクター。
3. 請求項２に記載のループリアクターにおいて、ガスガイド要素が中央ガス供給装置（１）の外側に取付けられていることを特徴とするループリアクター。
4. 請求項３に記載のループリアクターにおいて、３つから７つのガスガイド要素が中央ガス供給装置（１）に取付けられていることを特徴とするループリアクター。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のループリアクターにおいて、ガスガイド要素が、５度から４５度の間の角度で水平に対して上方へ傾いていることを特徴とするループリアクター。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のループリアクターにおいて、ガスガイド要素がサイドガイド面（１０）を有し、上記ガイド面が中央ガス供給装置（１）のガス放出開口部（３）の周りの範囲で、ガス放出開口部（３）の下側まで、下方に引き伸ばされていることを特徴とするループリアクター。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のループリアクターにおいて、生分解可能な物質が、バイオ廃棄物又は再生可能な原料であることを特徴とするループリアクター。

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