JP6648336B2 - 反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器 - Google Patents
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Description
本願は２０１６年１０月２６日に中国特許局に出願され、出願番号が２０１６１０９４１００１．５であり，発明名称が「反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器」の中国特許出願の優先権主張によるものであり，その全ての内容は引用により本出願に組み込まれる。
本発明は気液固三相反応の分野に関し，特に反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器に関する。
本発明は気液固三相反応の分野に関し，特に反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器に関する。
内部循環反応器は気泡塔を基に発展してきた新型の反応器であり，その構造がシンプルで、内部に動力装置が一切なく、物質移動と伝熱効果に優れており，気液、気固及び気液固反応を行うことができ，発酵、エネルギー、汚水処理などの各分野で広く応用されている。
固体粒子を触媒とする気液固三相反応において，触媒は反応器内で循環利用する必要があるため，触媒の分離操作が不可欠である。固体触媒の分離方法には沈降、ろ過、膜分離などの多くの方法があり，そのうち沈降法は広く応用されている。沈降法は重力沈降及び遠心沈降の二種類の方式に分けられ，遠心沈降の効率は重力沈降よりはるかに優れている。ハイドロサイクロンは代表的な遠心沈降分離装置で，構造がシンプルで、安価で、敷地面積が小さく、分離効果が良好で，広く応用されている。
公開日が２０１６年６月８日、公開番号がＣＮ１０５６４２２０１Ａの発明特許はガイドコーンを有する気液固三相内部循環反応器を開示しており，その反応器は上昇管の上部にガイドコーンが取り付けられ，液降下管の下部にもガイドコーンが取り付けられ，ガイドコーンに制約されて環状間隙と液降下管の間に気液固混合物の循環流が形成されやすくなり，原料の混合効果を高める。公開日が２０１６年１０月５日、公開番号がＣＮ１０５９８３３７７Ａの発明特許はエアリフト式内部循環流動スラリー層反応器を開示しており，該装置は内部循環反応器とハイドロサイクロンを組み合わせたものであり，気液分離装置、ドラフトチューブ及び気体分配器が上方から下方に向かってハウジング内部に順に設置され，且つドラフトチューブの上部にバッフル式連通部が設けられることにより，気液分離の効率を高め，同時に該装置の上部に気液の再分離に用いられるハイドロサイクロンが設置され，これによりエアロゾルを巻き込むような問題を効果的に解決することができる。
気液固三相反応，特に固体粒子を触媒とする三相反応における固体粒子の分離は極めて重要であり，ＣＮ１０５６４２２０１Ａによる開示は三相反応の混合効果に優れているが，反応器内で同時に固体を分離することができないため，混合及び分離のプロセスを補強することにはならず，固体分離と循環利用を必要とするフィッシャートロプシュ法などの反応を行うために外付けの分離装置を必要とし，余分の動力を必要とするだけでなく，フローも複雑になり，時間、労力を費やし敷地面積と稼働コストが増加する。ＣＮ１０５９８３３７７Ａによる開示は装置内部に分離効果のあるハイドロサイクロンが増設されるが，このハイドロサイクロンは反応器上部の気液分離領域に位置しており，気液分離の効果しか有していない。さらに，気体が存在しているため，ハイドロサイクロンの分離性能が大幅に低下し，気液固三相反応における応用には限界があり，特に微細触媒粒子が存在している場合使用することができない。
上記問題を解決するために，本発明は分離効果を有する内部循環反応器を提供する。該反応器により原料の混合、物質移動、反応及び固体触媒と生成物の分離などのプロセスを一つの反応器内に統合することができ，これにより複数のプロセスを一つの装置内で実行させ，反応に影響を与えない条件下で，気液固三相反応及び分離のプロセスを補強することができる。
本発明の目的は、以下の技術的解決手段により実現される。
本発明の目的は、以下の技術的解決手段により実現される。
反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器であって、上昇管、液降下管、固体原料投入口、ハイドロサイクロン入口、デッドスペース流動防止内側部材、液体入口、気体入口、気体出口、ドラフトチューブ、気体ガイドコーン、通気孔、オーバーフロー口、ハイドロサイクロン、アンダーフロー口、気液集積分配器及び液体出口を含み，上昇管と液降下管はドラフトチューブによって仕切られ，固体原料投入口は反応器の側壁に設置され，液体入口と気体入口は反応器の底部に設置され，気体出口は反応器の最上部に設置され，液体出口は液降下管の底部に接続され且つ反応器の外部に通じる；前記ハイドロサイクロンは液降下管の下部に設置され，ハイドロサイクロンの円筒部の上表面と液降下管の壁面の間は入口を除いて全体が密封される；気体ガイドコーンは液降下管の内壁に設置される；液降下管の内壁に通気孔が設けられ，気体ガイドコーンの下方に位置し，気液集積分配器は液体入口及び気体入口に接続され且つ反応器の底部に設置される。
更に，前記流体の上昇方式は環状間隙からの上昇又は中央からの上昇である。
更に，前記ハイドロサイクロンのアンダーフロー口の下方にデッドスペース流動防止内側部材が設置される。
更に，前記デッドスペース流動防止内側部材は底面の面積が液降下管の断面積より大きく，底角が１５°〜４５°である。
更に，前記ハイドロサイクロンは仕事量に応じてその構造のサイズ及び台数を調整することができる。
更に，前記ハイドロサイクロンに少なくとも一つの入口が設置される。
更に，前記気体ガイドコーンはハイドロサイクロンの上方２００〜５００ｍｍの箇所に取り付けられ，ガイドコーンの円錐角は１５°〜４５°である。
更に，前記通気孔は液降下管内の気体ガイドコーンの下方２〜１０ｍｍの箇所にあり，円周に沿って４〜１２個配列され、直径が１〜１０ｍｍである。
更に，前記ハイドロサイクロンと液降下管の間は中空構造であり，分離後の軽質相生成物はこの構造を介して導出される。
更に，前記流体の上昇方式は環状間隙からの上昇又は中央からの上昇である。
更に，前記ハイドロサイクロンのアンダーフロー口の下方にデッドスペース流動防止内側部材が設置される。
更に，前記デッドスペース流動防止内側部材は底面の面積が液降下管の断面積より大きく，底角が１５°〜４５°である。
更に，前記ハイドロサイクロンは仕事量に応じてその構造のサイズ及び台数を調整することができる。
更に，前記ハイドロサイクロンに少なくとも一つの入口が設置される。
更に，前記気体ガイドコーンはハイドロサイクロンの上方２００〜５００ｍｍの箇所に取り付けられ，ガイドコーンの円錐角は１５°〜４５°である。
更に，前記通気孔は液降下管内の気体ガイドコーンの下方２〜１０ｍｍの箇所にあり，円周に沿って４〜１２個配列され、直径が１〜１０ｍｍである。
更に，前記ハイドロサイクロンと液降下管の間は中空構造であり，分離後の軽質相生成物はこの構造を介して導出される。
本発明は気液固反応原料の混合、反応及び固体触媒の分離プロセスを統合することにより，エネルギー消費が低い内部循環反応器と，構造がシンプルで、効率が高く、運動部材がないという特性を有するハイドロサイクロンを保持するだけでなく，原料の方向性運動により流体の混合、物質移動、伝熱効果を十分に保持し，且つ反応装置の外部に固体触媒を分離するための分離装置や固体触媒を反応器に戻すための固体搬送装置を増設する必要がなく，動力の消費及び敷地面積を削減する。気体の混入はハイドロサイクロンの液固分離効果に大きな影響を与えるが，気体ガイドコーンと通気孔が存在することで気体ガイドコーンの下方に気体が集められるようになり，且つ液降下管から通気孔を通って上昇管に入ることにより，ハイドロサイクロンの液固分離の効率を保証して，固体触媒の適用範囲を，超微細固体触媒による触媒反応まで大幅に拡充することができる。
本発明の上記目的、特徴及び利点をより明快且つ分かりやすくするために，以下に図面を参照して本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。
以下に図面及び実施例を組み合わせて本発明を更に説明する。
以下に図面及び実施例を組み合わせて本発明を更に説明する。
本発明に係る反応と分離機能を併せ持つ装置は内部循環反応器とハイドロサイクロンを有機的に組み合わせた構造であり，該反応器は上昇管（１）、液降下管（２）、固体原料投入口（３）、ハイドロサイクロン入口（４）、デッドスペース流動防止内側部材（５）、液体入口（６）、気体入口（７）、気体出口（８）、ドラフトチューブ（９）、気体ガイドコーン（１０）、通気孔（１１）、オーバーフロー口（１２）、ハイドロサイクロン（１３）、アンダーフロー口（１４）、気液集積分配器（１５）及び液体出口（１６）により構成される。
実施例１：
図１に示すように，気体は気液集積分配器（１５）を通過した後環状間隙から内部循環反応器の上昇管内に入り，液体は気体に伴って上昇管（１）から液降下管（２）内に流れる。ハイドロサイクロン（１３）の円筒部と液降下管（２）の内壁の間は密封構造であり，全ての原料はハイドロサイクロン入口（４）と水平に当接するようにそこからハイドロサイクロン（１３）内に入り，分離された後，固体触媒粒子を含有するスラリーはハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）から排出され，デッドスペース流動防止内側部材（５）はハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）の下部に触媒粒子が堆積することを効果的に防止し，上昇管にガイドすることにより，触媒の十分な循環利用を保証する。反応後の生成物は，軽質相の形でオーバーフロー口（１２）からハイドロサイクロン（１３）と液降下管（２）の間にある中空構造を介して排出される。本発明は更に気体ガイドコーン（１０）と通気孔（１１）が設置され，気体の流速が速い時，一部の気体は、循環流動している液体によって液降下管（２）に導入されてハイドロサイクロン（１３）の上部に入り，物質移動が不十分で、反応が制約を受ける状況を効果的に防止することができる。気体ガイドコーン（１０）は円錐角が３０°の円錐形構造であり，原料が流過した後，気体は気体ガイドコーン（１０）と液降下管（２）の壁面の夾角の下方に集められ且つ通気孔（１１）を介して液降下管（２）から上昇管（１）内に流れ，これにより，ハイドロサイクロン（１３）内に気体が流入することを防止して，ハイドロサイクロン（１３）の良好な分離効果を保証する。
図１に示すように，気体は気液集積分配器（１５）を通過した後環状間隙から内部循環反応器の上昇管内に入り，液体は気体に伴って上昇管（１）から液降下管（２）内に流れる。ハイドロサイクロン（１３）の円筒部と液降下管（２）の内壁の間は密封構造であり，全ての原料はハイドロサイクロン入口（４）と水平に当接するようにそこからハイドロサイクロン（１３）内に入り，分離された後，固体触媒粒子を含有するスラリーはハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）から排出され，デッドスペース流動防止内側部材（５）はハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）の下部に触媒粒子が堆積することを効果的に防止し，上昇管にガイドすることにより，触媒の十分な循環利用を保証する。反応後の生成物は，軽質相の形でオーバーフロー口（１２）からハイドロサイクロン（１３）と液降下管（２）の間にある中空構造を介して排出される。本発明は更に気体ガイドコーン（１０）と通気孔（１１）が設置され，気体の流速が速い時，一部の気体は、循環流動している液体によって液降下管（２）に導入されてハイドロサイクロン（１３）の上部に入り，物質移動が不十分で、反応が制約を受ける状況を効果的に防止することができる。気体ガイドコーン（１０）は円錐角が３０°の円錐形構造であり，原料が流過した後，気体は気体ガイドコーン（１０）と液降下管（２）の壁面の夾角の下方に集められ且つ通気孔（１１）を介して液降下管（２）から上昇管（１）内に流れ，これにより，ハイドロサイクロン（１３）内に気体が流入することを防止して，ハイドロサイクロン（１３）の良好な分離効果を保証する。
実施例２：
本実施例において，気体は気液集積分配器（１５）を通過して内筒から内部循環反応器の上昇管に入り，液体は気体に伴って上昇管（１）から液降下管（２）内に流れる。ハイドロサイクロン（１３）の円筒部と液降下管（２）の内壁の間は密封構造であり，全ての原料はハイドロサイクロン入口（４）と水平に当接するようにそこからハイドロサイクロン（１３）内に入り，デッドスペース流動防止内側部材（５）はハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）の下部に触媒粒子が堆積することを効果的に防止して触媒粒子を上昇管にガイドすることにより，触媒の十分な循環利用を保証する。分離された後，固体触媒粒子を含有するスラリーはハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）から排出され，再度上昇管に入って次回の循環に用いられる。反応後の生成物は，軽質相の形でオーバーフロー口（１２）からハイドロサイクロン（１３）と液降下管（２）の間にある中空構造を介して排出される。この装置は環状間隙液降下管（２）内に４つのハイドロサイクロン（１３）が設置され，これにより反応器全体の処理量を増加させる。気体ガイドコーン（１０）は円錐角が４５°の円錐形構造であり，ドラフトチューブ（９）の外側に環状に配置され，気体の流速が速い時，原料が流過した後，気体は気体ガイドコーン（１０）と液降下管（２）の壁面の夾角の下方に集められ且つ通気孔（１１）を介して液降下管（２）から上昇管（１）内に流れ，これにより，ハイドロサイクロン（１３）内に気体が流入することを防止して，ハイドロサイクロン（１３）の良好な液固分離効果を保証する。
本実施例において，気体は気液集積分配器（１５）を通過して内筒から内部循環反応器の上昇管に入り，液体は気体に伴って上昇管（１）から液降下管（２）内に流れる。ハイドロサイクロン（１３）の円筒部と液降下管（２）の内壁の間は密封構造であり，全ての原料はハイドロサイクロン入口（４）と水平に当接するようにそこからハイドロサイクロン（１３）内に入り，デッドスペース流動防止内側部材（５）はハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）の下部に触媒粒子が堆積することを効果的に防止して触媒粒子を上昇管にガイドすることにより，触媒の十分な循環利用を保証する。分離された後，固体触媒粒子を含有するスラリーはハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）から排出され，再度上昇管に入って次回の循環に用いられる。反応後の生成物は，軽質相の形でオーバーフロー口（１２）からハイドロサイクロン（１３）と液降下管（２）の間にある中空構造を介して排出される。この装置は環状間隙液降下管（２）内に４つのハイドロサイクロン（１３）が設置され，これにより反応器全体の処理量を増加させる。気体ガイドコーン（１０）は円錐角が４５°の円錐形構造であり，ドラフトチューブ（９）の外側に環状に配置され，気体の流速が速い時，原料が流過した後，気体は気体ガイドコーン（１０）と液降下管（２）の壁面の夾角の下方に集められ且つ通気孔（１１）を介して液降下管（２）から上昇管（１）内に流れ，これにより，ハイドロサイクロン（１３）内に気体が流入することを防止して，ハイドロサイクロン（１３）の良好な液固分離効果を保証する。
上述したように，図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明したが，これは本発明の保護範囲を限定するためのものではなく，当業者は，本発明の技術的解決手段に基づき，創造的な努力を要することなく行われる各種の修正又は変形が本発明の保護範囲に属すると理解すべきである。
ここで，１は上昇管で，２は液降下管で，３は固体原料投入口で，４はハイドロサイクロン入口で，５はデッドスペース流動防止内側部材で，６は液体入口で，７は気体入口で，８は気体出口で，９はドラフトチューブで，１０は気体ガイドコーンで，１１は通気孔で，１２はオーバーフロー口で，１３はハイドロサイクロンで，１４はアンダーフロー口で，１５は気液集積分配器で，１６は液体出口である。
Claims (9)
- 反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器であって、
上昇管（１）、液降下管（２）、固体原料投入口（３）、ハイドロサイクロン入口（４）、デッドスペース流動防止内側部材（５）、液体入口（６）、気体入口（７）、気体出口（８）、ドラフトチューブ（９）、気体ガイドコーン（１０）、通気孔（１１）、オーバーフロー口（１２）、ハイドロサイクロン（１３）、アンダーフロー口（１４）、気液集積分配器（１５）及び液体出口（１６）を含み，上昇管（１）と液降下管（２）はドラフトチューブ（９）によって仕切られ，固体原料投入口（３）は反応器の側壁に設置され，液体入口（６）と気体入口（７）は反応器の底部に設置され，気体出口（８）は反応器の最上部に設置され，液体出口（１６）はハイドロサイクロンのオーバーフロー口（１２）に接続され且つ反応器の外部に通じ，前記ハイドロサイクロン（１３）は液降下管（２）の下部に設置され，ハイドロサイクロン（１３）の円筒部の上表面と液降下管（２）の壁面の間は入口を除いて全体が密封される；気体ガイドコーン（１０）は液降下管（２）の内壁に設置される；液降下管（２）の内壁に通気孔（１１）が設けられ，気体ガイドコーン（１０）の下方に位置し，気液集積分配器（１５）は液体入口（６）及び気体入口（７）に接続され且つ反応器の上昇管の底部に設置される
ことを特徴とする反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記流体の上昇方式は環状間隙からの上昇又は中央からの上昇である
ことを特徴とする請求項１に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記ハイドロサイクロンのアンダーフロー口（１４）の下方にデッドスペース流動防止内側部材（５）が設置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記デッドスペース流動防止内側部材（５）は底面の面積が液降下管の断面積より大きく，底角が１５°〜４５°である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記ハイドロサイクロン（１３）は仕事量に応じてその構造のサイズ及び台数を調整することができる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記ハイドロサイクロン（１３）に少なくとも一つの入口が設置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器であって，
前記気体ガイドコーン（１０）はハイドロサイクロン（１３）の上方２００〜５００ｍｍの箇所に取り付けられ，ガイドコーンの円錐角は１５°〜４５°である
ことを特徴とする反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記通気孔（１１）は液降下管（２）内の気体ガイドコーン（１０）の下方２〜１０ｍｍの箇所にあり，円周に沿って４〜１２個配列され，直径が１〜１０ｍｍである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。 - 前記ハイドロサイクロン（１３）のコーン部分と液降下管（２）は中空構造であり，分離後の軽質相生成物はこの構造を介して導出される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応と分離機能を併せ持つ内部循環反応器。
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