JP7299591B2

JP7299591B2 - 反応装置の運転方法

Info

Publication number: JP7299591B2
Application number: JP2019189430A
Authority: JP
Inventors: 正樹渕脇; 剛秀本間; 孝一郎槙
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd; Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd; Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: JP2021062347A

Description

本発明は、液相に気体を導入して反応させる反応装置の運転方法に関する。

化学プラント等において、反応容器内の溶液やスラリー等の液相を撹拌しながら、当該液相内に気体を導入して、化学反応を起こさせる反応装置が広く用いられている。

例えば、このような反応装置として、特許文献１には、容器の長手方向軸のまわりに回転可能なシャフトと、そのシャフトに取り付けられ、軸方向に離間して配置された径方向に延びる第１及び第２のインペラとを備えた混合容器が開示されている。

しかしながら、このような混合容器を用いた反応装置においては、中央に大きく設けられた気体吹き込み口から大きな気泡が導入されると、混合容器内で気泡径が小さくならないうちに混合容器の上部の液面まで達してしまうという問題があった。

反応容器内で化学反応に用いられる気体は、その反応容器内の液相中でその気泡径を小さくすることが重要である。小気泡にするほど気液界面の面積が大きくなり、又、気泡が液体内を循環滞留する時間が長くなること等から、気体成分が液相に溶け込む量が多くなり、その結果として液相中の気体濃度が高まって反応効率を向上させる効果が期待できるからである。

液相中での気泡径を小さくする技術として、スパージャー（散気管）を用いる方法や、撹拌翼下に気体を吹き込んで翼で気泡を分断させる方法等が知られている。例えば、気体の吹き込み量が多い場合には、フラッディング現象により撹拌翼が空回りして、気体が液中に溶け込む量が小さくなることが知られており、その対策として、特許文献２には、撹拌翼より大きな径のリングスパージャーを用いて、吹き出た気泡を装置内で循環する液体の流れに乗せる技術が開示されている。

しかしながら、スパージャーを、気体を導入する反応装置に適用しようとしたとき、スパージャーから装置内に吹き込む気体の圧力を、反応容器の内圧とスパージャーの圧力損失とを加えた値を超えて加圧する必要がある。又、スパージャーは、気泡出口径が小さいために圧力損失が大きいため、特に反応容器の内圧を加圧する場合には導入する気体の加圧設備のコストが高くなる問題がある。更に、反応によっては、中間物を含む反応生成物や反応後の残渣が付着物となってスパージャーの小さな気泡出口を塞ぐことがあり、付着物を取り除くために装置を停止させることで稼働率が低下するという問題もある。このような種々の問題点により、反応装置にスパージャーを用いることは困難な場合があった。

気体を導入する反応装置においては、圧力損失を最小化するために気体吹き込み管の管径や出口径を可能な限り大きくすることが好ましい。ところが、気体吹き込み管から放出される気泡の気泡径は、気体吹き込み管の出口径に依存することがよく知られており、圧力損失を最小化させようとすると気泡径は大きくなってしまう。そして、気泡径が大きくなることは、気液界面の面積が小さくなることを意味し、好ましくない。このことから、圧力損失が小さい大きな出口径から放出された大きな径の気泡を、小さな気泡径にするための技術が望まれている。

特表２００９－５３６０９５号公報特開２０１４－１１３５６４号公報

本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、簡易で低コストで実現可能な構造によって反応液内に気体を導入することができる反応装置において、反応液内に導入された気体の大きな径の気泡を効率的に分断して十分にその気泡径を小さくすることができる反応装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、反応容器と、撹拌機と、気体吹き込み管とを備えた反応装置において、反応容器内の液流のレイノルズ数及び気体と液相の運動量流速比（ＭＦＲ）を、最適化することにより、気体吹き込み管から放出された気泡を効率よく分断させて、気泡径を十分に小さくとすることができることを見出し、本発明を完成させた。

（１）円筒状の液相収容槽である反応容器と、前記反応容器の中心に垂設されている撹拌機と、前記反応容器内に前記撹拌機よりも外周壁寄りの位置に垂設されている中空の管状部材であって下端部側に気体吹き込み口を有する気体吹き込み管と、を備える反応装置の運転方法であって、前記撹拌機による撹拌及び前記気体吹き込み管による気体の吹き込みによって形成される反応容器内の液流の下記定義によるレイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上となるように液相を撹拌し、且つ、下記定義による運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００００５以上０．００１以下となるような吹き込み条件で前記吹き込み管から液相中に気体を吹き込む、反応装置の運転方法。
Ｒｅ＝Ｄｕρ／μ
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄ：気体吹き込み管の外径（ｍ）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：液相の粘度（ｋｇ／ｍｓ））
ＭＦＲ＝ρ＿ｇｕ＿ｇ^２／ρｕ^２
（ＭＦＲ：運動量流速比、ρ＿ｇ：気体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ＿ｇ：気体の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ））

（２）円筒状の液相収容槽である反応容器と、前記反応容器の中心に垂設されている撹拌機と、前記反応容器内に前記撹拌機よりも外周壁寄りの位置に垂設されている中空の管状部材であって下端部側に気体吹き込み口を有する気体吹き込み管と、を備える反応装置の設計方法であって、数値解析手法により、前記反応装置の構成から液相の流速を算出し、前記液相の流速を用いて、前記撹拌機による撹拌及び前記気体吹き込み管による気体の吹き込みによって形成される反応容器内の液流の下記定義によるレイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上で液相を撹拌する前記気体吹き込み管の外径の範囲を算出し、且つ、前記液相の流速を用いて、下記定義による運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００００５以上０．００１以下となるように前記吹き込み管から液相中に気体を吹き込む前記気体吹き込み管の内径の範囲を算出し、算出された前記気体吹き込み管の外径の範囲と内径の範囲から、気体吹き込み管の外径と内径を決定する、反応装置の設計方法。
Ｒｅ＝Ｄｕρ／μ
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄ：気体吹き込み管の外径（ｍ）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：液相の粘度（ｋｇ／ｍｓ））
ＭＦＲ＝ρ＿ｇｕ＿ｇ^２／ρｕ^２
（ＭＦＲ：運動量流速比、ρ＿ｇ：気体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ＿ｇ：気体の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ））

本発明によれば、簡易で低コストで実現可能な構造によって反応液内に気体を導入することができる反応装置において、反応液内に導入された気体の気泡を効率的に分断して十分に気泡径を小さくすることができる。

本発明の反応装置の全体構成を示す縦断面模式図である。図１のＡ部の気体吹き込み管の出口（気体吹き込み口）付近の拡大図であり、液流の方向と気体吹き込み管の配置位置との関係を説明するための図である。

以下、本発明の反応装置の運転方法を適用することができる反応装置と、本発明の反応装置の運転方法について、適宜図面を参照しながら、その詳細を説明する。尚、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。

＜反応装置＞
図１は、本発明の反応装置の運転方法を適用することができる反応装置１の縦断面の模式図である。同図に示す通り、反応装置１は、反応容器１０と、撹拌機２０と、気体吹き込み管３０とを備える。

反応装置１は、反応容器１０に液体やスラリー等の液相である反応液を収容し、撹拌機２０により液流を発生させた状態において、気体吹き込み管３０から化学反応に寄与する気体を導入して、液相中において気体を撹拌しながら化学反応を生じさせる。反応容器１０に導入される気体は、特に限定されず、例えば空気、窒素、酸素等の気体を、反応液中で所望する化学反応に応じて用いることができる。

［反応容器］
反応容器１０は、水平方向に切断した横断面において、通常、円形の断面を有する円筒状の液相収容槽であり、その内部に所定の高さまで反応液を収容し、この反応液内で化学反応を生じさせる。反応容器１０は、その上面が開放されているものであってもよく、或いは、閉鎖されているものであってもよい。反応容器１０の上面（閉鎖されている場合）及び底面は、それぞれが平面となるものに限定されず、垂直方向に切断した縦断面図において上面や底面に曲率部を有するものや、上面や底面と側面との間に曲率部を有するものであってもよい。

［撹拌機］
撹拌機２０は、反応容器１０に収容された反応液を撹拌する機能を有する。撹拌機２０は、反応容器１０の上部より垂下される態様で垂設されている撹拌軸２１と、撹拌軸２１の下端位置に撹拌軸２１の軸方向に対して垂直に設けられた撹拌羽根２２と、を有する。

撹拌軸２１は、反応装置１の横断面図において、その中心が円形の反応容器の中心と一致するように配置されることが好ましい。これにより、反応装置に導入される気体を、反応液中により効率的に分散させることができる。

撹拌羽根２２は、撹拌軸２１を回転軸として所定の速度で回転することにより、反応液内に、反応容器１０の中心から外周壁に向かう液流、好ましくは、中心から外周壁に向かうに連れて鉛直下向き方向に降下していく斜め下向きの液流を、発生させることができるものであればよい。図１において撹拌羽根２２の下方に記されている矢印の方向に沿う液流、即ち、中心から外周壁に向かうに連れて鉛直下向き方向に降下していくこのような液流により、反応液全体を効率よく撹拌することができる。撹拌羽根２２は、このような液流を発生させることができる形状及び設置態様であれば特定の形状等に限定はされないが、図１に示すような複数の撹拌翼が適切に組合されてなるプロペラ形状のものを好ましく用いることができる。

［気体吹き込み管］
気体吹き込み管３０は、化学反応に寄与する気体を反応容器１０内に収容されている反応液中に導入するものであり、下端部に気体吹き込み口を有する中空の管状部材である。

気体吹き込み管３０は、図１に示す通り、反応容器１０の中心よりも外周壁寄りとなる位置であり撹拌羽根２２の回転とは干渉しない水平位置に配置されるが、この水平位置は、上記の液流との関係において、当該液流の強さ（流量及び／又は流速）が、できるだけ大きくなる位置であることが好ましい。

＜反応装置の運転方法＞
本発明の反応装置の運転方法は、例えば、図１に示すように、反応容器１０、撹拌機２０、及び、気体吹き込み管３０を有する反応装置１において、撹拌機２０によって形成される反応容器内の液流ｆのレイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上となるように液相を撹拌し、且つ、「運動量流速比（ＭＦＲ）」が０．００００５以上０．００１以下となるような吹き込み条件で吹き込み管３０から液相中に気体ｇを吹き込むことを特徴とする。

（レイノルズ数（Ｒｅ））
本発明の反応装置の運転方法の実施において最適化される反応容器内の液流の「レイノルズ数（Ｒｅ）」とは、下記式（１）に示す通り、流体の状態を表す一般的指標でもあり慣性力と粘性力との比で定義される無次元数である。
Ｒｅ＝Ｄｕρ／μ ・・・・（１）
（Ｒｅ（ＲｅｙｎｏｌｄｓＮｕｍｂｅｒ）：レイノルズ数、Ｄ：気体吹き込み管の外径（ｍ）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：液相の粘度（ｋｇ／ｍｓ））

本発明の反応装置の運転方法において、液流の「レイノルズ数（Ｒｅ）」は、例えば、次の方法によって調整することができる。一例として、反応装置の気体吹き込み管の外径（Ｄ）と、処理液（液相）の密度（ρ）と粘度（μ）が、所定の所与の値であり、「レイノルズ数（Ｒｅ）」の大きさが不十分な場合であれば、上記の所与の各値に応じて撹拌機の回転数を適切に高めて処理液（液相）の流速（ｕ）を大きくすることにより、「レイノルズ数（Ｒｅ）」を、より大きな値とすることができる。

（運動量流速比（ＭＦＲ））
本発明の反応装置の運転方法の実施において最適化される運動量流速比（ＭＦＲ）とは、下記式（２）により定義される気相（ガス）と液相の運動量の比を示す数値である。
ＭＦＲ＝ρ＿ｇｕ＿ｇ^２／ρｕ^２・・・・（２）
（ＭＦＲ（ＭｏｍｅｎｔｕｍＦｌｕｘＲａｔｉｏ）：運動量流速比、ρ＿ｇ：気体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ＿ｇ：気体の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ））

本発明の反応装置の運転方法において、「運動量流速比（ＭＦＲ）」は、例えば、次の方法によって調整することができる。一例として、反応装置の気体吹き込み管から吹き込む気体の密度（ρ＿ｇ）と、処理液（液相）の密度（ρ）と、の内径（Ｄ’）と、処理液（液相）の密度（ρ）と流速（ｕ）が、所定の所与の値であり、「運動量流速比（ＭＦＲ）」の大きさが不十分な場合であれば、上記の所与の各値に応じて、気体吹き込み管から吹き込む気体の流速（ｕ＿ｇ）を適切に高めることにより、「運動量流速比（ＭＦＲ）」を、より大きな値とすることができる。

下記表１は、反応装置の運転における、反応容器内の液流のレイノルズ数（Ｒｅ）及びと、運動量流速比（ＭＦＲ）と、これらの組合せ条件毎の、反応容器内の気泡の分裂の程度を示すものである。マトリクス内の各数値は、上記各組合せ条件毎の「気泡分裂数」であり、具体的に、この「気泡分裂数」とは、流れを与えた液に気体吹き込み管を浸し、管から気体を吹き込み、液中に気泡を発生させる試験により、液中に発生した気泡を撮影し、その撮影画像を数値解析ソフトウエアＭＡＴＬＡＢ（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社製）にて処理し、その画像において直径２ミリメートル以下となった気泡の数を気泡が分布する領域の面積で除して得た数である。この数は、その値が大きいほど、気体吹き込み管から液相中に放出された気体の分裂が十分に進んでいることを示す指標である。
尚、上記試験において用いた反応装置の気体吹き込み管の外径（Ｄ）は、０．０１０ｍ内径（Ｄ’）は０．００８ｍである。又、同試験に用いた処理液は、室温の水道水であり、その密度（ρ）は９９７ｋｇ／ｍ^３、粘度（μ）は８．９×１０＾－４ｋｇ／ｍｓである。

表１から、液流の「レイノルズ数（Ｒｅ）」を２００００以上とした状態において、尚且つ、運動量流速比（ＭＦＲ）を０．００００５以上０．００１以下とすることによって、「気泡分裂数」が安定的に十分に大きな値となっていることが分かる。又、運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００００５未満である場合には、レイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上であっても気泡の分裂の進行が不安定であり、運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００１を超えると、レイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上であっても気泡の分裂が十分に進行しないことも分かる。

このように、本発明の反応装置の運転方法によれば、レイノルズ数（Ｒｅ）と運動量流速比（ＭＦＲ）とを併せて最適化することにより、反応装置１においては、気体吹き込み管３０から放出される気体の気泡径を十分に小さくして、気体と反応液との接触面積を増大させ、反応効率を向上させることができる。

＜反応装置の設計方法＞
上記は、レイノルズ数（Ｒｅ）と運動量速度比（ＭＦＲ）を指標として、例えば図１に示すような反応装置１の撹拌機２０の回転数と、気体吹き込み管３０から吹き込まれる気体の流速（ｕ＿ｇ）を調整して、それぞれの指標が適切な範囲内（レイノルズ数（Ｒｅ）を２００００以上で、且つ、運動量流速比（ＭＦＲ）を０．００００５以上０．００１以下）とする反応装置の運転方法として説明した。これらの指標は反応装置の運転方法にとどまらず、例えば新規の反応装置の設計においても活用することができる。以下に具体的に説明する。

図１に示すような反応装置を設計する場合に、例えば化学反応等、想定している反応における液相の密度（ρ）（ｋｇ／ｍ^３）、液相の粘度（μ）（ｋｇ／ｍｓ）、及び気体の密度（ρ＿ｇ）（ｋｇ／ｍ^３）は、前提条件であり固定値となる。又、想定している反応の処理量や反応速度に応じて、反応装置１の構成や気体吹き込み管３０から導入される単位時間当たりの気体量（ｆ）（ｍ^３／ｓ）は設定されるため、これらの条件としては固定値として扱うことができる。

そこで、本発明の反応装置の設計方法では、（ａ）反応装置１の構成から、撹拌機２０の特定の回転数における液相の流速（ｕ）（ｍ／ｓ）を、数値解析の手法を用いて算出する。（ｂ）算出された液相の流速（ｕ）を用いて、（１）式からレイノルズ数Ｒｅが２００００以上となる気体吹き込み管の外径（Ｄ）（ｍ）の範囲と、気体吹き込み管３０から供給される単位時間当たりの気体量と（２）式から運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００００５以上０．００１以下となる気体吹込み管の内径（Ｄ’）（ｍ）の範囲を算出する、（ｃ）算出された気体吹込み管の外径（Ｄ）と内径（Ｄ’）の範囲から、それぞれの寸法を決定する、のステップで気体吹込み管の外径（Ｄ）と内径（Ｄ’）を定める。このようにして気体吹込み管の外径（Ｄ）と内径（Ｄ’）を決定することで、反応装置１に導入される気体は、液相中で効率的に分断されて十分に小さい気泡径となり、反応装置１における反応効率が向上する。尚、（２）式の気体の流速（ｕ＿ｇ）（ｍ／ｓ）は、ｕ＿ｇ＝４ｆ／（πＤ’）から計算される。

ここで、より好ましくは、（ａ）のステップで複数の撹拌機２０の回転数で液相の流速（ｕ_１、ｕ_２、・・・）を算出し、得られたｕ_１、ｕ_２、・・・からステップ（ｂ）で気体吹込み管の外径の範囲Ｄ_１、Ｄ_２、・・・と内径の範囲Ｄ_１’、Ｄ_２’、・・・を算出し、ステップ（ｃ）で得られた気体吹込み管の外径の範囲Ｄ_１、Ｄ_２、・・・の重複する領域から気体吹込み管の外径（Ｄ）を、気体吹込み管の内径の範囲Ｄ_１’、Ｄ_２’、・・・の重複する領域から気体吹込み管の内径（Ｄ’）を決定する。同様に、例えば、気体吹き込み管３０から導入される単位時間当たりの気体量を複数用意（ｆ１、ｆ２、・・・）して算出したり、或いは、これらを組合せてもよい。このようにして、気体吹込み管の外径（Ｄ）と内径（Ｄ’）を決定すれば、反応装置１の操業条件を変動させたとしても、十分に高い反応効率とすることができる。又、ステップ（ａ）で用いられる数値解析の手法は特に限定されることはなく、公知の手法を用いることができる。

１反応装置
１０反応容器
２０撹拌機
２１撹拌軸
２２撹拌羽根
３０気体吹き込み管

Claims

円筒状の液相収容槽である反応容器と、
前記反応容器の中心に垂設されている撹拌機と、
前記反応容器内に前記撹拌機よりも外周壁寄りの位置に垂設されている中空の管状部材であって下端部側に気体吹き込み口を有する気体吹き込み管と、を備える反応装置の運転方法であって、
前記撹拌機による撹拌及び前記気体吹き込み管による気体の吹き込みによって形成される反応容器内の液流の下記定義によるレイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上となるように液相を撹拌し、
且つ、下記定義による運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００００５以上０．００１以下となるような吹き込み条件で前記吹き込み管から液相中に気体を吹き込む、
反応装置の運転方法。
Ｒｅ＝Ｄｕρ／μ
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄ：気体吹き込み管の外径（ｍ）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：液相の粘度（ｋｇ／ｍｓ））
ＭＦＲ＝ρ＿ｇｕ＿ｇ^２／ρｕ^２
（ＭＦＲ：運動量流速比、ρ＿ｇ：気体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ＿ｇ：気体の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ））
円筒状の液相収容槽である反応容器と、
前記反応容器の中心に垂設されている撹拌機と、
前記反応容器内に前記撹拌機よりも外周壁寄りの位置に垂設されている中空の管状部材であって下端部側に気体吹き込み口を有する気体吹き込み管と、を備える反応装置の設計方法であって、
数値解析手法により、前記反応装置の構成から液相の流速を算出し、
前記液相の流速を用いて、前記撹拌機による撹拌及び前記気体吹き込み管による気体の吹き込みによって形成される反応容器内の液流の下記定義によるレイノルズ数（Ｒｅ）が２００００以上で液相を撹拌する前記気体吹き込み管の外径の範囲を算出し、
且つ、前記液相の流速を用いて、下記定義による運動量流速比（ＭＦＲ）が０．００００５以上０．００１以下となるように前記吹き込み管から液相中に気体を吹き込む前記気体吹き込み管の内径の範囲を算出し、
算出された前記気体吹き込み管の外径の範囲と内径の範囲から、気体吹き込み管の外径と内径を決定する、反応装置の設計方法。
Ｒｅ＝Ｄｕρ／μ
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄ：気体吹き込み管の外径（ｍ）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：液相の粘度（ｋｇ／ｍｓ））
ＭＦＲ＝ρ＿ｇｕ＿ｇ^２／ρｕ^２
（ＭＦＲ：運動量流速比、ρ＿ｇ：気体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ＿ｇ：気体の流速（ｍ／ｓ）、ρ：液相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ：液相の流速（ｍ／ｓ））