JPH0321211B2 - - Google Patents

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JPH0321211B2
JPH0321211B2 JP58020774A JP2077483A JPH0321211B2 JP H0321211 B2 JPH0321211 B2 JP H0321211B2 JP 58020774 A JP58020774 A JP 58020774A JP 2077483 A JP2077483 A JP 2077483A JP H0321211 B2 JPH0321211 B2 JP H0321211B2
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liquid
container
cylindrical tube
stirring
gas
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JP58020774A
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Tatsuro Takeuchi
Shohei Yoshida
Kazuhiro Kawai
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Takeda Pharmaceutical Co Ltd
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Takeda Chemical Industries Ltd
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Priority to GB08310104A priority patent/GB2121701B/en
Priority to CH2007/83A priority patent/CH662750A5/de
Publication of JPS59147630A publication Critical patent/JPS59147630A/ja
Publication of JPH0321211B2 publication Critical patent/JPH0321211B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】
発明の技術分野 本発明は、例えば醗酵槽、気液接触反応装置等
に好適な通気攪拌装置に関し、更に詳しくは、液
体中で気体を微粒化すると共に攪拌して、気液
(他浮遊固体を含み得る)の接触面積を増すと同
時に、該気液の均一分散を効率的に行い得るよう
にした、気液の接触効率を高めるための通気攪拌
装置に関する。 従来技術 従来用いられているこの種の通気攪拌槽は、第
1図に示す如く、槽1内の下部に、該槽1に充填
した液体内に気体を連続的に放出する散気管2を
設け、かつ該散気管2の上方にタービン翼3を設
けて、該タービン翼3の回転により、槽1内の気
液を攪拌循環させると同時に散気管2から液中に
出る液体を微粒化するようにしている。 通常、槽内における気液の流動は、槽内全般に
大きく、ゆるやかに流れる循環流と、タービン翼
によりその附近の気液が激しくかきまぜられる局
部乱流とに大別される。第1図の通気攪拌槽は、
一つのタービン翼の回転で、槽内に上記の循環流
と局部乱流を同時に生じさせているために、両方
の流れをバランスよく効果的に得ることが難し
く、また両方を満足するにはタービン翼の回転エ
ネルギーが必要以上に大きくなつてその効率が悪
いものであつた。すなわち、一つのタービン翼の
回転だけでは、槽内の気液に必要な攪拌循環エネ
ルギーと局部乱流エネルギーを共に十分で、かつ
効率良く与えることが困難であつた。例えば、醗
酵槽で酸素移動速度を上げるためにタービン翼の
回転速度を過度に上げると、槽内に必要以上の循
環流を発生させて、無駄な攪拌循環エネルギーを
費すことになる。また、槽内に高粘性液が投入さ
れている場合には、該液に対して比較的ゆるやか
な攪拌が強いられるために、局部乱流エネルギー
が相対的に不十分になつて、必要な酸素移動速度
を得難いことになる。 発明の目的 本発明は、上記従来例の欠点を除去すべく、気
液を接触させる槽内に、気液を局部的に激しくか
きまぜて局部乱流を発生させる手段と、気液を槽
内全般に攪拌して循環流を発生させる手段とを
別々に設けて、夫々の手段に最適のエネルギーを
付与させると共に両者のエネルギーを良好にバラ
ンスさせるようにしたものである。すなわち、本
発明は、上記前者の手段で気体を微細に剪断する
ことにより微粒化して液体との接触面積を増大さ
せるようにする一方、後者の手段で気液を強制的
に循環することにより攪拌して気液の均一分散を
促進させるようにしたもので、夫々が効率的に行
われるために、気液を接触効率が非常に良くなる
ものである。 発明の構成 このため本発明は、上記目的を達成すべく、竪
形容器内の下部に該容器に充填した液体内に気体
を連続的に放出する散気管を設け、かつ該散気管
の上方に、周縁部近傍に設けた多数のスリツトの
回転によりその間に通る気液を微細化させる回転
板を設け、さらに該回転板の上方でかつ容器内の
上下方向に設けた円筒管と、該円筒管の中または
その近傍に設けた攪拌翼とよりなり、上記円筒管
の内外に気液を循環させる攪拌手段を備えてなる
通気攪拌装置を新規に提供するものであり、さら
に好ましくは、上記回転板の上方に液体の旋回を
邪魔する整流手段を設けたことを特徴とするもの
である。 発明の効果 これを更に詳述すると、本発明にかかる通気攪
拌装置では、まず、容器内に局部乱流エネルギー
を発生せしめ、気体を微粒化して気液接触面積を
大きくとり、酸素移動速度を上げる役割りをする
機構として、周縁部近傍において気液の上下方向
の通過を許す多数のスリツトを設けた回転板を、
液体内に気体を放出する散気管の上方に近接して
設ける。このスリツト付回転板は、回転すること
により、回転板下部に吹き込まれた気体をそのス
リツトの部分で微細気泡に切断する機能を有して
いる。この回転板自体は、その肉厚が薄いので、
回転板の回転方向におけるスリツトの垂直断面積
が小さく、液の攪拌作用は小さいために、循環流
を生じさせるほど気液に対して攪拌は行なわず、
専ら局部乱流発生という役割を担うものである。
他方、液中で微細気泡や、浮遊固体を槽内全般に
均一に分散せしめるためには、気液の流線が複雑
に交差せず、一定方向に移動する循環流が必要で
あるが、この循環流を発生させる為に、本発明で
は、円筒管(いわゆるドラフトチユーブ)と攪拌
翼を用いている。すなわち、上記回転板と離れた
位置で、容器の上下方向に円筒管を設けると共に
該円筒管内またはその近傍に攪拌翼を設けて、該
攪拌翼の回転により容器内の気液を上記円筒管の
内外に循環させて気液や浮遊固体を槽内全般に均
一分散させるように循環流を生ぜしめるものであ
る。また、上記円筒管の上端を容器に充填した液
体の液面近傍に設けることにより、円筒管で惹起
される循環流が液体の液面に発生する気泡をたた
いて消滅させ、気液接触に障害となる発泡減少を
抑制せしめるものである。したがつて、回転板と
円筒管及び攪拌翼を設ける簡単な構成により、従
来の欠点を除去して、所期の目的を達成し得るも
のである。特に、本発明の装置を醗酵槽に用いる
と、酸素移動速度が大きくなつて酸素速度を早め
ると共に基質濃度を高め、発泡によるトラブルが
なくなつて液の仕込率が向上し、高生産性を上げ
ることができるものである。 発明の実施例 以下、本発明を図面に示す実施例について詳細
に説明する。 第2図乃至第6図の通気攪拌装置は、本発明の
一実施例を示すもので、液体Lを充填する竪形円
筒状の容器11と、圧力空気Aを供給する散気管
12と、モータ13で駆動されるスリツト14付
の回転板15及び攪拌翼16と、いわゆるドラフ
トチユーブとして気液を循環させる円筒管17
と、気液案内用の邪魔板18とより構成される。 容器11は、その中に液体を充填する上下方向
に直立した一つの円筒形状の槽を形勢するもの
で、例えば、容器の約8割の高さまで液体を充填
する。容器11は、蓋19で内部を密封する一
方、外周面にジヤケツト20(またはコイル)を
設けて、充填した液体の水冷または保温をはかり
得るようにする。 散気管12はその先端に設けた気体突出ノズル
21を、上記容器11内の下部に大略水平にして
設けて、高圧空気源22からの圧力空気Aを容器
11の下部中央において容器の液体L内に放出さ
せるようにする。 回転板15は、上記散気管12を上方に近接し
て大略水平に配置した薄肉の円板にして、第4図
及び第5図に示す如く該円板の周縁部には上下方
向に貫通して放射状に切り割つた細巾のスリツト
14を一定のピツチで多数条設けている。回転板
15の軸芯に設けた支軸23は容器11の中心軸
線上を縦走してその下端を上記散気管12の下方
に設けた軸受24に支承させる一方、その上端を
容器11の蓋19に設けた軸受25に支承させて
外部に突出させ、かつ該外部へ突出させた支軸2
3の先端をモータ13に連結して、該モータ13
により支軸23と共に回転板15が高速で回転さ
れるようになる。回転板15の周縁部と容器11
の内周璧との間には一定の間隙があるが、散気管
12から放出される気体は回転板15の下方で回
転板15の軸心部分から回転板15の周縁部へ拡
散され乍ら上昇して回転板15の周縁部に設けた
スリツト14を通つて回転板15の上方へ流出さ
れる。回転板15がモータ13で回転されると、
回転板15のスリツト14を上昇する流れと容器
11との間隙を下降する流れが生じて、散気管1
2から回転板15の中央下方へ放出される全ての
気体Aと上記間隙から回転板15の外周下方へ流
入する一部の液体Lが一体的に回転板15のスリ
ツト14を下方から上方へ通過するようになり、
その際、スリツト14が回転板15と共に高速で
回転されているために、スリツト14の端縁で気
体Aが次々と剪断されて微細化し、該微細気泡が
液体L中に混合されて回転板15の上方へ流出さ
れるようになる。 邪魔板8は容器11の内周面から内方へ上下方
向に縦走して一定寸法突出させた細巾の平板(ま
たは突出部)で、容器11の内周面に一定の間隙
で複数個設ける。邪魔板18は夫々の下端が回転
板15の少し上方に位置する一方、夫々の上端が
容器11に充填した液体Lの液面Sより少し下方
に位置しても、これらの間にまたがつて容器11
の内方へごく少しの寸法だけ上下方向に突出して
いるために、容器11内の液体が容器11の内周
面において邪魔板18に当りその円周方向の回転
流が阻止される一方、邪魔板18に沿つて上下方
向に案内される整流が惹起されるようになる。 攪拌翼16は、上記回転板15の支軸23に取
りつけられて回転板15と共に回転されて、液体
Lの攪拌作用を行うもので、回転板15の上方で
円筒管17の中に配置される。円筒管17は、容
器11の中央に配置した上下に開口26,27し
た円筒状の管で、その上下方向の軸芯が容器11
の中心軸と大略一致し、かつその下端が回転板1
5の上方に一定距離あけて位置する一方、その上
端が容器11に充填した液体Lの液面Sと大略同
一かわずか下方に位置させる。円筒管17は第3
図に示す如く、上記邪魔板18と円筒管17の外
周面に橋渡した複数本の棒状の支持体28で、容
器11内の一定位置に固定され、容器11内の液
体が円筒管17の上下の開口26,27から円筒
管17の内外へ流出または流入して円筒管17の
内外を液体Lが循環して流れるようにする。円筒
管17は、その直径(Dd)と高さ(Hd)が容器
の内径(DT)と高さ(HT)と夫々次式を満足す
る範囲で設定される。 0.8≧Dd/DT≧0.1 0.8≧Hd/Ht≧0.2 円筒管17の軸芯に回転板15の支軸23が貫
通しており、該支軸23に取りつけた攪拌翼16
が円筒管17の内部でその下部開口27の近傍に
配置される。攪拌翼16は、叶出量の大きい小型
のプロペラ翼で構成し、上記円筒管17内の液体
Lの循環を助成、促進するもので、例えば攪拌翼
16を正転させた時は、第6図イに示す如く、円
筒管17内の液体が下部開口27から流出すると
共に、容器11内の液体がその液面近くから円筒
管17の上部開口26より円筒管17内へ流入す
る正循環流を発生させる一方、攪拌翼16を逆転
させた時は、第6図ロに示す如く、円筒管17の
液体が上部開口26から容器内の液体の液面に向
けて流出されると共に、容器11内の液体が円筒
管17の下部開口27から円筒管17内へ流入す
る逆循環流を発生するようになる。したがつて、
円筒管17内外での循環流を発生させることによ
つて、液体が強制的に攪拌されて容器11内の気
液混合体が容器11内の全域において大略均一な
状態に分散される一方、正循環流の場合には容器
11内の液体の液面における液体が円筒管17の
上部開口26から円筒管17内へ強制的に流入さ
れることによつて液体の液面に発生する気泡が取
り除かれると共に、逆循環流の場合には、円筒管
17内の液体がその上部開口26から容器11内
の液体の液面に向けて流出されることによつて、
液体の液面に発生する気泡がたたきつぶされてよ
り効果的に取り除かれるようになり、いづれにし
ても容器11内の液体Lの液面Sにおける気泡が
無くなることになる。 本発明の通気攪拌装置は、第1図乃至第6図に
示す実施例の他、第8図乃至第16図に示す如き
変形例が考えられる。 第8図に示すものは、円筒管17を逆円錐台形
状17aとしたもので、この場合、上部開口径
Dd1と下部開口径Dd2と容器内径Dtは次の範囲で
決めることが好ましい。 0.3<Dd2/Dd1<1.0 0.6<Dd1/Dt<0.2 第9図に示すものは、回転板15と撹拌翼16
の支軸を2軸の同芯軸23a,23bとして別々
に設けたもので、モータ13との間に減速機構2
9を介して夫々異なる速度で回転する。回転板1
5は高速回転して小荷重の剪断作用を行なう一
方、攪拌翼16は定速回転して大荷重の攪拌作用
を夫々円滑に行なわしめるようにする。 第10図に示すものは、円筒管17を上下一対
の円筒管17b,17cに分割して、これら円筒
管17b,17cを容器11内の上下方向に一定
の間隔を置いて配置し、夫々の円筒管17b,1
7cの中に攪拌翼16b,16cを設けて、下部
の円筒管17cでは正循環流を発生させて大きな
攪拌作用を行なわしめる一方、上部の円筒管17
bでは逆循環流を発生させて大きな消泡作用を行
なわしめるようにする。 第11図に示すものは、第9図の2軸23a,
23bを駆動するモータ13a,13bを夫々別
個設けたものである。 第12図、第13図に示すものは、容器11と
円筒管17の間で液体の液面近くに蓋板30を設
けて、円筒管17の循環流を案内させると共に液
体の液面の面積を小さくして気泡の発生を減少さ
せるようにする。蓋板30は容器11の内周面に
取り付ける。 第14図、第15図に示すものは、第12図、
第13図に示す蓋板30を円筒管17の上部開口
の外周面に鍔30aとして一体的に形成して、蓋
板30と同様の作用を行なわしめるようにする。 第16図、第17図に示すものは、第12図、
第13図に示す蓋板30を傾斜して陣笠状30b
に形成したもので、蓋板30と同様の作用を行な
わしめるようにする。 その他、回転板15の周縁部に設けるスリツト
14は、その形状、数を第5図に示すものの他に
種々のものが考えられる。例えば、スリツト14
は切り割り状の他、穴状や溝あるいはそれらの組
み合せのものでもよく、スリツト14の寸法やピ
ツチも任意に設定して最も効率の良い剪断効果を
上げるものにする。 上記の如き構成よりなる通気攪拌装置におい
て、容器11内に液体を充填し、かつ、モータに
よりスリツト14付回転板15を回転した状態
で、散気管から圧力気体を液中へ放出させると、
回転板15の下部に気体のボルテツクスが形成
し、該ボルテツクスの先端から上昇する気体は、
回転する回転板15のスリツト14部分で微細に
切断され、微細気泡を連続して発生せしめるよう
になる。この時、回転板15は、多数のスリツト
14を回転させて刃物の如く気体を次々に剪断し
ていくが、回転板自体の回転により液を攪拌する
機能は小さい為、該回転板15の液の循環に要す
るエネルギー消費は小さい。 スリツト14付回転板で微粒化された微細気泡
は、邪魔板18の案内で容器11の上方へ整流と
して流出していくが、上方に設けた円筒管17と
攪拌翼16の循環作用によつて、槽内11全般に
均一に分散される。回転板15上方では、円筒管
17と攪拌翼16の作用によつて容器11内の液
体が円筒管17の内外をゆるやかに循環させるた
めに微細気泡がこの循環流に乗つて容器11内で
大略平均的に分散されるようになる。この時、攪
拌翼16は、円筒管17内の液体の循環を促進す
るが、液体内の気体を微細化する機能はほとんど
ないため、攪拌翼16の気泡の切断に要するエネ
ルギー消費はない。したがつて、容器11内の下
部では回転板15のスリツト14による微細気泡
の発生が行われると同時に、その上部では円筒管
17と攪拌翼16による循環流の液攪拌が行われ
るようになる。 このような作用によつて、本発明による通気攪
拌装置は、例えば醗酵槽として用いた場合には、
従来の通気攪拌槽に比較して同一の攪拌エネルギ
ーを投入した場合、酸素移動速度が大巾に増加
し、好気性培養においては、酸素移動速度が向上
することにより、醗酵速度が大きくなり、生産性
が向上する。また、酸素移動速度の向上により、
酸素溶解を妨害する基質を培地主組成とする醗酵
においても、基質濃度を高めることができ、高生
産性の培養が可能となる。さらに、本発明による
装置では、比較的簡単な方法で消泡操作が可能と
なる為、従来の通気攪拌槽に比較して、発泡によ
るトラブルが少なく、必然的に槽内への液の仕込
率が向上する。 以下、本発明の装置に関し、従来例の装置と比
較した実験例を説明する。 実験例 1 本実施例は、第1図に示す従来の通気攪拌装置
と、第2図乃至第6図に示す本発明の通気攪拌装
置を用いて、亜硫酸ソーダ溶液を空気酸化した場
合の酸素移動に関する容量係数の比較検討を同一
の条件で行なつたものである。 (1) 実験装置 (イ) 従来の通気攪拌装置は、第1図に示す構造
のもので、その各寸法は次の通りである。 (a) 槽径:0.53m、槽容積:0.2m3、槽高:
1.10m、液仕込量:0.1m3、 (b) 翼形式:タービン翼、翼数:1段6枚、
翼径:0.3m、翼高:0.06m、翼巾:0.077
m (ロ) 本発明になる通気接触装置は、第2図乃至
第5図に示す構造のもので、その各寸法は次
の通りである。 (a) 槽径:0.47m、槽容積:0.23m3、槽高:
1.30m、液仕込量:0.18m3、槽内液高(回
転板より液面迄):1.0m (b) 円筒管径:0.15m、円筒管高:0.5m、
円筒管厚:3mm、円筒管の上端開口:液体
の液面、円筒管の下端開口高(回転板より
の高さ):0.5m (c) 邪魔板長:0.9m、邪魔板高:0.07m (d) 攪拌翼径:0.10m (e) 回転板径:0.25m、回転板厚:4mm、回
転板材質:sus、スリツト巾:3mm、スリ
ツト深さ:30mm、スリツト個数:120ケ (2) 実験条件 亜硫酸ソーダ濃度:5w/v% 触媒CuSO4・5H2O添加量:0.001mol 空気吹込量:1VVM 槽内圧(P):1Kg/cm2G 反応温度:30℃ (3) 計算式 (a) 酸素移動に関する容量係数算出式は次の通
り。 Kd=OTR/Plm OTR=C1−C2/2(θ2−θ1) 但し、 Kd:酸素移動容量係数(g−molO2/m3hr
atm) OTR:酸素移動速度(g−molO2/m3hr) C1、C2:時間θ1、θ2におけるNa2SO3濃度
(g−mol/ml) Plm:入口出口酸素分圧の対数平均値
(atm) θ1、θ2:サンプリング時間(min) (b) 攪拌所要動力算出式は回転トルクメーター
を用いて、次式より算出した。 Pg1.027×10-6×R×(t−t0)/V 但し、 Pg:攪拌所要動力(Kw/m3) R:回転数(rpm) t:トルク測定値(g−m) t0:空トルク測定値(g−m) V:液仕込量(m3) (4) 実験結果 実験結果を一覧表として第1表に示した。ま
た、攪拌所要動力Pg(Kw/m3)と、酸素移動
容量係数Kd(mol/m3hr atm)の関係を第7図
に示した。これらの結果からも明らかなごと
く、本発明の通気攪拌装置は、従来の通気装置
に比較して、例えば、通気攪拌動力が3Kw/
m3の場合、酸素移動容量係数は約5倍に増加し
ており、また槽内への液の仕込率も従来の50〜
70%に比して、本発明は約80%と向上し、本発
明が大巾に勝れていることがわかる。
【表】 上記の結果、本発明の如きスリツト付回転板と
円筒管及び攪拌翼の組み合せによる通気攪拌装置
が、気泡の微粒化と、槽内への気液の均一分散を
各々、スリツト付回転板と円筒管及び攪拌翼に
夫々役割分担させることにより、従来型の通気攪
拌槽より勝れた機能を発揮せしめられることが実
証された。 実施例 2 (1) 実験装置 本実験例は第2図乃至第6図に示す本発明の
通気攪拌装置を用いて、図示通り円筒管と攪拌
翼を装備したものと、これらを取り除いたもの
を用いて、実験例1と同様の方法で酸素移動速
度を測定した。但し、実験例1と異なりスリツ
ト付回転円板の各寸法は次の通りである。 外径:200φ スリツト巾:3mm スリツト深さ:15mm スリツト個数:90ケ (2) 実験結果 実験結果を次の第2表に示した。また攪拌所
要動力Pg(Kw/m3)と酸素移動容量係数Kd
(mol/m3hr atm)の関係を第18図に示し
た。
【表】 上記第2表及び第18図の結果より、円筒管攪
拌翼を設置した本発明の装置は、円筒管、攪拌翼
の無い通気攪拌槽に比較して、同一の攪拌動力を
投入した場合約30%高い酸素移動容量係数値Kd
が得られることが分る。このことによつて、槽内
混合に対して、ドラフトチユーブとして作用する
円筒管及び攪拌翼が気液の攪拌に重要な機能を果
していることが判るものである。 実験例 3 (1) 実験装置 本実施例は第2図乃至第6図に示す本発明の
通気攪拌装置を用いて、図示通り円筒管と攪拌
翼を装備して気液を正循環させた場合と逆循環
させた場合並びに円筒管と攪拌翼を取り除いた
ものを用いて容器内における気体の発泡状態を
定性的に比較した。 (2) 実験条件 実験液の種類:水 泡発生剤:洗剤0.004% 通気量:180−Air/min 液仕込量:120〜180 (3) 実験方法 実験項目は、 円筒管、攪拌翼なし 円筒管、攪拌翼あり、下向流消泡(正循
環) 円筒管、攪拌翼あり、上向流消泡(逆循
環) の3種類につき液仕込量を120〜180の範囲
で変動させ運転可能仕込量を求めた。 (4) 実験結果 実験結果を第3表に示した。
【表】 第3表において、○印は運転可能であり、×
印は運転不能の状態を示す。 上記第3表の結果より、円筒管と攪拌翼は消
泡効果が有り、特に逆循環はより大きな消泡効
果を上げることが分つた。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来装置の概略断面図、第2図は本発
明の装置の概略断面図、第3図は第2図の−
線断面図、第4図は第2図の−線断面図、第
5図は第4図の一部拡大図、第6図イ,ロは第2
図の説明図、第7図は第2図の装置の実験特性を
示す関係線図、第8図、第9図、第10図、第1
1図、第12図、第14図、第16図は夫々第2
図の変形例を示す概略断面図、第13図、第15
図、第17図は夫々第12図、第14図、第16
図の一部を示す平面図、第18図は第2図の装置
の実験特性を示す関係線図である。 11……容器、12……散気管、13……モー
タ、14……スリツト、15……回転板、16…
…攪拌翼、17……円筒管、18……邪魔板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 竪形容器内の下部に該容器に充填した液体内
    に気体を連続的に放出する散気管を設け、かつ該
    散気管の上方に、周縁部近傍に設けた多数のスリ
    ツトの回転によりその間を通る気体を微細化させ
    る回転板を設け、さらに該回転板の上方でかつ容
    器内の上下方向に設けた円筒管と、該円筒管の中
    に設けた攪拌翼とよりなり、上記円筒管の内外に
    気液を循環させる攪拌手段を備えてなる通気攪拌
    装置。 2 特許請求の範囲第1項に記載した装置におい
    て、さらに上記回転板の上方に液体の旋回を邪魔
    する整流手段を設けたことを特徴とするもの。
JP58020774A 1982-04-14 1983-02-10 通気撹拌装置 Granted JPS59147630A (ja)

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US06/484,552 US4519959A (en) 1982-04-14 1983-04-13 Gas-liquid contacting apparatus
DE3313382A DE3313382A1 (de) 1982-04-14 1983-04-13 Gas-fluessigkeit-kontaktiervorrichtung
GB08310104A GB2121701B (en) 1982-04-14 1983-04-14 Gas-liquid contacting apparatus
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