JP6845242B2 - 気体と液体とを接触させるためのシステム - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、気液接触又は気液反応を含む多くの用途に好適であり得る、気体と液体とを接触させるためのシステムに関する。
発明の背景
気液接触装置（Gas-liquid contactors）は、多くの産業、例えば化学、生化学、石油化学及び冶金学産業等において広く用いられる。これらの接触装置又はリアクターの選択、設計、サイジング及び性能は、しばしば、質量及び熱伝達、流体力学、及び反応速度論に依存する。これらのユニットは、通気装置又は気液リアクターとして一般的には見かけられ、気体が最初に液体に溶解し、次いで液体又は液体に溶解された任意の材料と反応する。そのようなリアクター中における反応は、しばしば、低速及び高速レジームに分類される (Advances in Chemical Engineering, Academic Press 1981, pp. 1-133)。低速反応のためには、バルク中における気体濃度を飽和近くに維持するために、高い液体滞留と物質移動が必要である一方で、高速反応のためには、液体バルク中における気体濃度が殆どゼロであり、気液界面領域が気体吸収の速度を制御するため、高い気体滞留と小さい気泡サイズが要求される (Advances in Chemical Engineering, Academic Press 1981, pp. 1-133)。気体と液体間の接触表面積を増加させることによって、より速い化学又は生化学反応速度が達成され、対応してより速い物質移動速度が達成される。
良好な混合を伴う、幾つかの高性能気液接触装置の1つの主な欠点は、高い機械的エネルギーのニーズである。しかしながら、そのような機械的エネルギーは、他の物よりも幾つかの型の気液接触装置において、より効率的に利用され得る。それゆえ、同じ稼働条件下での様々な気液接触装置の物質移動性能は、大幅に変化し得る (Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 503-510)。高い液体滞留を有する、バブルカラムリアクター、スパウテッド・ベッドリアクター（spouted bed rectors）、充填カラム及び撹拌リアクターは、低速反応プロセス、例えば液相酸化、水素化、塩素化及び幾つかの発酵等に好適である (Advances in Chemical Engineering, Academic Press 1981, pp. 1-133)。プレート、充填カラム及びベンチュリ型（venturi-type）リアクターは、大きい気液界面領域のために、高速反応プロセスにより好適である (Chemical Engineering Science, 48 (1993) 889-911)；しかしながら、特定の条件下では、バブルカラムリアクター及び填カラムリアクターは、化学、生化学、石油化学及び冶金学用途において広く使用される、高発熱の高速反応プロセスに好適である (Chemical Engineering Science, 48 (1993) 889-911)。
気液接触装置は、表面型（surface）及び体積型（volume）接触装置に分類され得る。それらはまた、装置内部の物質移動速度のレベルに基づいて分類され得る。機械的エネルギー消費が少ない接触装置は、一般的に、物質移動速度が小さく、性能が低い。通常、気液接触装置内部で、より多くの混合を伴う、より多くの機械的エネルギー消費は、物質移動速度を改善する。そのような気液接触装置は、高性能接触装置と呼ばれ、高速の気体吸収速度及び設置された装置の体積が小さいために、需要の増加を伴って重要となっている (Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 503-510).
典型的には、表面型気液接触装置は、生物学的排水処理に用いられ、通常、適度な低深度のプールの形態である。それらはしばしば、必要な気液界面領域（gas-liquid interfacial area）を作り出すためにインペラー又は液体ジェットの使用を伴う(Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 503-510)。他方、体積型気液接触装置においては、気相と液相間の界面領域が、液体のバルク内部に作り出される。気相は、球形又は不定形な気泡の形態で分散される。通常、液体中における気体分散は、スパージャー、液体ジェット、2混合ノズル又は中空回転ミキサーの使用によって達成される (Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 503-510)。共通する気液接触装置／リアクターの例としては、バブルカラムリアクター、攪拌容器リアクター、ジェットループリアクター、往復ジェットリアクター及び衝突流入リアクターが挙げられる。バブルカラムリアクターは、底部にスパージャーが配置される容器であり、相対的に低い物質移動性能によって特徴づけられる。
一般的に、バブルカラムは、その機械的単純性、低い資本コスト、並びに良好な熱及び物質移動特性のために、幅広い好気発酵を行うために、バイオプロセス産業において用いられる(Chemical Engineering Journal, 264 (2015) 291-301)。バブルカラムにおける体積質量移動（volumetric mass transfer）係数値は、用いられる流体の物理的特性、気体流速(Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 503-510)、スパージャー設計 (Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 329-344)、直径に対するリアクター長(H/D)比 (Chemical Engineering Science, 25 (1970) 340-341)、システム圧 (Chemical Engineering Science, 52 (1997) 4447-4459)及び温度(Chemical Engineering Science, 56 (2001) 6241-6247)に依存する。バブルカラム内部の気泡サイズは、分散後直ぐに、安定なサイズに達する。そのような条件下においては、スパージャーの設計に対して、物質移動性能はより敏感でなくなる (Chemical Engineering Science, 48 (1993) 889-911)。
バブルカラムリアクター（rectors）の長所は：低い維持及び稼働コスト、低い資本、卓越した熱伝達及び温度制御、並びにリアクターの配置及び直径に対する高さの比に起因する、低いエネルギーインプット、大きい液体体積及び滞留時間での、大きい気液界面領域及び移動容積係数である。しかしながら、これらのリアクターは、幾つかの欠点、例えばチャーン・乱流レジーム（churn-turbulent flow regime）におけるバックミキシング（back-mixing）と気泡同士の相互作用；特に微粒子を含有する高粘性スラリーについての難しい触媒と液体の分離；及び典型的な工業的条件下での流体力学及び物質移動特性における知見が欠如しているための複雑なスケールアップ等に苦労する (Fuel Processing Technology, 89 (2008) 322-343)。
通常、撹拌容器リアクターは、中央にインペラーを備えた円筒形容器である。
スパージャーは、単位体積当たり大きい表面積を有する小さい気泡を導入すること及び液体中の乱流レベルを増大させることによって、混合及び物質移動を促進するために、インペラーの下に配置される (Chemical Engineering Science, 92, (2014) 2191-2200)。他方、ジェットループリアクターは、2混合ノズルとドラフトチューブが取り付けられた容器である。該ノズルは、リアクターの上部又は下部に固定され得、該ドラフトチューブは、メインチューブと同心であってもよく、又はその隣にあってもよい。ノズル出口での液体ジェットは、非常に小さいサイズの気泡で気体を分散させる。液体の勢いによって、気液混合が循環し、デッドゾーンのないこれらの型のリアクターにおける良好な混合が起こる (Chinese Chemical Engineering, 22 (2014) 611-621)。
往復ジェットリアクターは、中央のシャフトと一緒に接続された、多数の孔が空いたディスクからなる。該ディスク及びシャフトは、円筒形容器内に配置され、高い振幅と周波数を有する逆運動を受け、ディスクの孔を通ってジェットの形態で混合物の流れが起こる (Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1999) 503-510)。気体及び液体は、ガイドチューブの入口に配置されたノズルを通ってリアクターに供給される。均質な二相流が形成される。気相は分散され、二相流の運動エネルギーが散逸する。これが、気相と液相間の大きい乱流と大きい物質移動面積を生み出す (Chemical Engineering Science, 47, (1992) 2877-2882)。
上記気液接触装置は多くの産業において広く用いられているが、それらのいずれも同じ効率で多用なユニットの稼働に適用され得ず、それらはいずれも様々な欠点、例えば複雑さ、高い機械的エネルギー要求及びスケールアップの難しさ等で苦労する。本発明は、卓越した気液接触、高性能効率を提供し得、容易にスケールアップし得る、簡易なシステムについて記載する。
本発明は、気体と液体とを接触させるためのシステムであって、不活性粒子を含有する容器を含み、不活性粒子の総体積が容器の総作動体積（total working volume）の1〜20%である、前記システムを提供する。
不活性粒子の総体積は好ましくは、容器の総作動体積の3〜15%、任意で容器の総作動体積の5〜10%である。
システムは好ましくは、更に、典型的には、気体が容器に入ることを可能にするように構成された容器の基部に配置された単一のオリフィスを含み、気体が容器から出ることを可能にするように構成された、使用時に作動体積の表面の上に任意で配置された気体出口を含む。気体が容器の中央に導入され得るよう、単一のオリフィスは容器の基部で中央に任意で配置される。
システムは好ましくは、更に、液体が容器に入ることを可能にするように構成された液体入口と、液体が容器から出ることを可能にするように構成された液体出口を含み、使用時に液体が容器の少なくとも一部分を通って、反対方向の流れで気体を通過させるように、液体入口、液体出口、気体入口、及び、気体出口が任意で配置される。
液体出口は、任意で容器内に延びた、任意で容器の底部に延びた、流出通路を含む。使用時に容器内の液体の静水圧に起因して流出通路を介して、液体が容器を出るように、流出通路の入口は好ましくは液体入口の下に配置される。
典型的には、該システムは容器中に備えられた液体を含み、不活性粒子の密度が好ましくは、液体の密度より高いか又は低い15%以下、任意で液体の密度より高いか又は低い10%以下、任意で液体の密度より高いか又は低い5%以下である。
不活性粒子は、好ましくは球形であり、好ましくは、1 mm〜25 mm、任意で3〜20 mm、任意で5〜15 mmの粒子サイズ（直径）を有する。非球形の粒子については、各粒子は好ましくは、等価球径d-v（すなわち、以下の式）に対応する体積を有する。
Figure 0006845242
容器の基部は任意で円錐形である。
気体と液体間の混合を生成するために、容器への気体の導入によって好ましくは、不活性粒子が容器内の円形又は楕円形の経路を通るようにさせる。
本発明は、添付図面を参照して単なる例として記載される。
図１は、本発明による気体と液体とを接触させるためのシステムの概略図を示す。 図２は、本発明のシステムを用いて、様々な気体流速についてのCO2回収について説明するグラフを示す。 図３は、本発明のシステムを用いて、様々な気体流速についてのイオン回収について説明するグラフを示す。 図４は、本発明のシステムを用いて、様々な気体流速についてのpHの経時変化について説明するグラフを示す。
発明の詳細な説明
本発明は、不活性粒子の使用が、気液接触装置／リアクターシステム内での混合を促進し得ることを特定し、効果的な物質移動のための大きい気液界面領域を提供する。
本発明は特に、例えば天然ガスのスウィートニング、アミン類の再生、汚染水からのアンモニア及びH2Sの回収、並びに生成した水からのH2Sの回収等の用途に有益である。
図１は、本発明による気体と液体とを接触させるためのシステムの例を表わす。該システムは、円筒形本体101を有する容器100を含む。該容器100は、円筒形本体101の一方の末端に取り付けられる基部102を有する。円筒形本体101のもう一方の末端は閉じられているが、該システムの特定の使用に依存して、大気に開放されていても良い。容器100の温度を制御するための温度制御ジャケットは、任意で容器100を囲む。
図１に示す構成では、該容器は使用時に垂直に配向され、正面から容器100を見たときに容器100の底部に配置される基部102を有する。
液体は、液体入口103を通って容器に供給される。図１において、液体入口103は、容器の上部に向かって描かれる；しかしながら、その配置は限定されないが、好ましくは、容器100が使用されるときに、液体の最大稼働深度を超える。
気体は、気体入口104を通って容器に供給される。図１において、気体入口104は、基部102の底部に配置される単一のオリフィスとして備えられるが、他の実施形態においては、複数のオリフィスが使用され得る。オリフィス（複数可）のサイズ、気体速度、並びに気体対液体比は、接触する気体の型又は反応システムに依存する。該気体は、ノズル（図１には示されていない）を用いてジェットとして、容器に注入され得る。
液体は、液体出口105を介して、容器100から出る。該出口は、容器出口地点110から容器内に延びた流出通路107を含み得る。該容器出口地点110 (液体が容器100の外側境界を横切る点)は好ましくは、液体入口103と同じ高さに配置される。液体が、静水圧に起因して容器から出る場合、その時は、出口地点110は液体の稼働深度よりも下に配置される。液体が、ポンプの使用によって容器から出る場合、その時は、出口地点110は容器100の任意の部位に配置され得る。
気体は、気体出口106を介して容器100から出る。図１において、気体出口106は、容器100の上面に描かれている；しかしながら、その配置は限定されないが、好ましくは、容器100が使用されるときの液体の稼働深度よりも上に配置される。
デミスターとして、気体出口106の前にスクリーン111が任意で設けられ、気体中の液滴のエントレインメントを防止する。スクリーン111は例えば、細かいメッシュの形態を取る場合がある。
液体入口103、液体出口105、気体入口104、及び、気体出口106は、好ましくは、改善された気液接触のために、使用時に液体が容器100の少なくとも一部分を通って反対方向に流れる気体を通過させるように配置される。例えば、気体が容器の底部で導入され、上部で出るように、気体入口104及び気体出口106が配置される場合、その時は、液体入口103及び液体出口105は好ましくは、使用時に液体が容器100の少なくとも一部分を通って気体を通り過ぎて下方に流れるように、配置される。
上記の気体及び液体間の反対方向の流れは、好ましくは、図１に示されるように、出口地点110から容器100内部に延びた流出通路107の設備によって達成される。該流出通路107は、容器100内部の地点から出口地点110への液体の流れを対象とし、例えば、チューブ又は管の形態を取る場合がある。
入口108から流出通路107は好ましくは、液体入口103より下の深度に配置され、好ましくは容器の底部30%以内（すなわち、基部102の上部と液体の稼働深度の間の距離の底部の30%）、より好ましくは容器の底部20%以内、及び更により好ましくは容器の底部10%以内に配置される。この配置は、入口108から流出通路107を介して容器を出るように、液体が下方へ流れる一方で、気体は容器100を通って上方へ流れるように、反対方向の流れを生み出す。好ましくは、一旦、液体流出物が流出通路107に入ると、使用時の容器100内の液体の静水圧が、流出通路107を通って液体流出物を流れさせる。
流出通路107の設備及び配置はまた、液体流出物中の気泡のエントレインメントを削減する。これは、流出通路入口108で気泡が直面する抵抗が、容器100内部の残りの部分を通る抵抗よりも遥かに大きい為である。
流出通路入口107は好ましくは、固形粒子が液体流出通路107に入っていくことをブロックするフィルターを備える。
該システムは更に、使用時に容器100内部に備えられる不活性粒子109を含む。不活性粒子109の総体積は、容器100の総作動体積（すなわち、稼働時の容器中の液体体積）の1〜20%、好ましくは容器100の総作動体積の3〜15%、及びより好ましくは容器100の総作動体積の5〜10%である。
不活性粒子109は好ましくは、気液システムに関して不活性であり、容器100内の液体又は気体のいずれかと接触したときに反応すべきでない。更には、不活性粒子109は好ましくは、反応システムの触媒として作用しない。それゆえ、不活性粒子109の材料は、システム中で使用される液体及び気体に依存するが、例えばプラスチックであることができる。不活性粒子109は好ましくは球形であり、好ましくは1〜25 mm、より好ましくは3〜20 mm、更により好ましくは5〜15 mmの直径を有する。非球形粒子については、各々の粒子は好ましくは、等価球径 dv（即ち、以下の式）に対応する体積を有する。
Figure 0006845242
容器100が使用されるとき、不活性粒子109は分散され、容器内を移動し、気体と液体間の混合を促進し、二相間の効果的な物質移動のためのより大きい気液界面領域を提供する。容器内の不活性粒子109の移動は、気体入口104を通って容器100に入る気体によって起こる。該気体は好ましくは、容器100の基部102で中心に導入され、使用時の容器100の上下にある円形又は楕円形の経路に沿って、不活性粒子109を移動させる。
不活性粒子109の移動を補助するために、容器100の基部102は好ましくは、気体入口104に向かって先細りテーパー（tapering down）になっている円錐形を有する。これは、不活性粒子109が、容器100の底部でデッドゾーンを形成することなく、容器100の底部で気体供給領域に摺動することを可能にする。
不活性粒子109の密度は好ましくは、使用時に不活性粒子109が容器100全体を通ってより容易に移動し得るように、液体の密度と類似する。液体の密度と類似する密度は好ましくは、容器100の稼働温度で、液体の密度より高いか又は低い15%以下、より好ましくは10%以下及び更により好ましくは5%以下を意味する。
本発明に記載される接触装置システムを、水酸化アンモニウムとの反応によるCO2の回収について評価した。該反応は、10%CO2及び90%空気を含有する気体混合物と、塩を含む排水、即ち脱塩廃棄塩水を含む水酸化アンモニウム (25%NH3)混合物とを接触させることにより行われた。該水はナトリウム、マグネシウム及びカルシウムを含む様々なイオンを含んだ、7%の塩分を有していた。該反応は、内径78mm、高さ700mm、及び総作動体積3000mlのジャケット付きステンレス鋼円筒形容器内で行われた。気体は、3の直径を有する1穴のオリフィスを通って、リアクターの底部で注入された。液体は、容器上部近傍の液体入口を介して供給され、上記の流出通路を介して出た。不活性粒子は、平均粒子サイズが13mmで密度が1020kg/m3の透明な熱可塑性の（ポリ（メチル2-メチルプロペノエート））から作製された。
CO2回収及びイオン (Na、Mg、Ca)回収パーセンテージは、Minitab（登録商標）17.0アプリケーションを用いて、RSM (応答曲面方法論)によって最適化した。フィッティング統計ツールとして、Minitab（登録商標）17.0は、多重階乗スクリーニングデザインを提供し、数値最適化後に、重要な要因とその相互作用が分析され得る。稼働の設計は、中央合成設計（CCD）に従った。CO2回収及びイオン回収の両方に影響する、3つの主要な因子は、気体流速、温度及びNaClに対するアンモニアのモル比である；これらの因子は、気体流速、温度及びモル比については、それぞれ0.6〜2.3 l／分、13.2〜46.8℃及び1.7〜3.3 NH3：1NaClの範囲で稼働された。CO2回収にのみ影響する他の2つの因子を、もう一方のCCDにおいて研究した。これらの因子は、不活性粒子の体積及びリアクター内のゲージ圧であった；それらは、それぞれ3〜17体積%及び0〜2.9 bar (0〜0.29MPa)の範囲で稼働された。水試料を毎時間リアクターから回収し、誘導結合プラズマ（ICP）分光計を用いてイオン回収について試験した。一方、流出気体は水分トラップ（moisture trap）を連続的に通って、次いでCO2パーセンテージを検出するために、CO2ガスアナライザーに送られた。また、水のpHの経時変化を記録した。
応答曲面方法論モデリングに基づいて、最適稼働条件が、19.3±0.5 ℃の温度； 1 543±2 ml／分の気体流速；3.3±0.1のNH3／NaClモル比； 2±0.2 barのゲージ圧(0.2±0.02 MPaゲージ)；及び6.6±0.1体積%の総不活性粒子体積であると見出された。12.5 ml／分で液体流速を固定して、2つの気体流速1 542 ml／分及び4 000 ml／分で、これらの最適条件で実験が行われた。両方の実験的な稼働は、大気圧で行った。実験結果を表１にまとめ、CO2回収、イオン回収及びpHについては、それぞれ図２、３及び４にプロットした。
低速の気体流速 (1 542 ml／分)については、実験が11時間行われた一方、他の流速 (4 000 ml／分)については、リアクターを5時間稼働させた。実験結果は、リアクターシステムが非常に安定であり、定常状態に達したことを明瞭に示す。CO2回収は、低速の気体流速については3時間後に定常状態に達し、高速の気体流速については約4時間後に定常状態に達した。同様に、イオン回収は低速及び高速の気体流速について、それぞれ3時間及び6時間後に定常状態に達した。図４に示されるように、定常状態の達成はリアクター内のpHレベルについて、より明らかであるようであった。期待通り、リアクター内部の気体滞留時間がCO2回収に大きな影響を与えているようであったが、その効果は表１に示されるイオン回収に与えるものほど重要でなかった。より多くの気体がリアクターシステムを通過するほど、CO2回収がより少なくなった (約90%)。それにも関わらず、気体対液体比 (G/L)における大きな相違を考慮すれば、CO2回収効率における2つのケースの間の違いは本質的なものでない。低速の気体流速について、気体対液体比 (G/L)は123であり、回収効率は97%であった一方、より速い気体流速については、G/Lが320であり、回収効率は90%であった。これらの実験は、本発明の接触装置／リアクターシステムが、気液接触/反応において非常に効果的であり、非常に安定した定常状態での稼働を達成し得ることを示す。
Figure 0006845242
当業者は、前記記載及び実施例が、説明及び例示のためにのみ示されていることを認識する。本発明の改変及び変形は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、上記教示に照らして可能である。

Claims (12)

  1. 気体と液体とを接触させるためのシステムであって、
    不活性粒子を含有する容器；
    気体が容器に入ることを可能にするように構成された容器の基部に配置された単一のオリフィス；
    気体が容器から出ることを可能にするように構成された、使用時の作動体積の表面より上に配置された気体出口；
    液体が容器に入ることを可能にするように構成された液体入口；及び、
    液体が容器から出ることを可能にするように構成された液体出口
    を有し、
    不活性粒子の総体積が、容器の総作動体積の1〜20%であり；
    使用時に液体が容器の少なくとも一部分を通って、反対方向の流れで気体を通過させるように、液体入口、液体出口、気体入口及び気体出口が配置され；
    液体出口が、容器内に延びた流出通路を含み；
    流出通路の入口が、液体入口の下に配置され；かつ、
    使用時に容器内の液体の静水圧に起因して流出通路を介して、液体が容器を出る、
    前記システム。
  2. 不活性粒子の総体積が容器の総作動体積の3〜15%である、請求項１に記載のシステム。
  3. 不活性粒子の総体積が容器の総作動体積の5〜10%である、請求項２に記載のシステム。
  4. 気体が容器の中央に導入され得るように、単一のオリフィスが容器の基部で中央に配置された、請求項１に記載のシステム。
  5. 不活性粒子の密度が、液体の密度より高いか又は低い15%以下である、容器内に備えられた液体を更に含む、請求項１に記載のシステム。
  6. 不活性粒子の密度が、液体の密度より高いか又は低い10%以下である、容器内に備えられた液体を更に含む、請求項５に記載のシステム。
  7. 不活性粒子の密度が、液体の密度より高いか又は低い5%以下である、容器内に備えられた液体を更に含む、請求項５に記載のシステム。
  8. 不活性粒子が、1〜25 mmの粒子サイズを有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
  9. 不活性粒子が、3〜20 mmの粒子サイズを有する、請求項８に記載のシステム。
  10. 不活性粒子が、5〜15 mmの粒子サイズを有する、請求項８に記載のシステム。
  11. 容器の基部が円錐形である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
  12. 気体と液体間の混合を生成するために、容器への気体の導入によって、不活性粒子が容器内の円形又は楕円形の経路を通るようにさせる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
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