JPH06182171A - 変動する液体操作水準条件の下での気液混合の向上 - Google Patents

変動する液体操作水準条件の下での気液混合の向上

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JPH06182171A
JPH06182171A JP5197621A JP19762193A JPH06182171A JP H06182171 A JPH06182171 A JP H06182171A JP 5197621 A JP5197621 A JP 5197621A JP 19762193 A JP19762193 A JP 19762193A JP H06182171 A JPH06182171 A JP H06182171A
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mixing
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体操作水準条件の変動を受ける気液混合の
ための改善されたシステムの開発。 【構成】 混合容器１内の最小液体水準８以下に配置さ
れる羽根３／ドラフトチューブ２組立体を使用する。駆
動軸４が羽根をドラフトチューブ内で回転する。駆動軸
に取付けられた中空吸気管１０、１１が気体空間１３に
おける気体を最大液体水準７上方に位置する導入口６か
ら駆動軸を通して先端から液体中に放出する。吸気管は
気液混合を最大限とするようドラフトチューブ上方にそ
の直径の１／４〜１．５倍の距離に位置し、その直径の
１／２〜１．５倍の端〜端長さを有する。気泡−液体混
合物をドラフトチューブに吸引し、その下端から放出
し、ドラフトチューブ周囲を上方へ通し、再吸引する循
環作用が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気液混合操作に関する
ものであり、特には特定の液体水準が変動する操作条件
の下で気液混合を増進する技術に関係する。
【０００２】
【従来の技術】気液混合操作において、ＡＧＲ（Advanc
ed Gas Reactor) と呼ばれる改善された気体反応器シス
テムが知られており、これは、混合容器内に収納された
液体に再循環流れ模様を創出するために混合容器内の中
空ドラフトチューブ内部に位置づけられる下向き送給式
の羽根を使用するものである。中空ドラフトチューブ内
部での下向き液体流れとドラフトチューブ外部での容器
内の液体の上向き流れによる再循環により、ドラフトチ
ューブの上方入口領域において渦流が形成され、それに
より容器内の上方オーバーヘッド気体空間からドラフト
チューブ内に下向きに流れる再循環液体へと供給気体が
吸引される。この技術は米国再発行特許第３２，５６２
号に開示されている。
【０００３】そうした気液混合目的のための満足しうる
渦発生は、様々の実際的な操作因子のうちでも、ドラフ
トチューブの上端より上方に適正な液体水準を維持する
ことに依存している。もし液体水準がこの適正操作水準
より上方に上昇すると、渦の形成は阻止され、従って気
体の吸引速度は実質上零にまで減少する。従って、最適
水準を上回る液体水準での操作はＡＧＲシステムの気体
吸引能力を実質上減ずる危険がある。もし液体水準がド
ラフトチューブの上端より下方に落ちるなら、液体送給
（ポンピング）作用はすべて停止する。
【０００４】従って、最適液体水準にない気液混合操作
においては、ＡＧＲシステムの有効性は著しく損なわれ
る。米国特許第４，９１９，８４９号において、中空ド
ラフトチューブに連結された中空気体吸引管の使用が、
変動する液体水準の下での操作を受ける気液混合操作の
過程で、中空ドラフトチューブ内部に位置づけられそし
て最適でない液体水準において位置づけられる下向き送
給式らせん羽根手段に気体を吸引する手段として開示さ
れている。
【０００５】多くの気液混合用途、特に特殊化学薬剤及
び医薬品分野において、容器内での液体水準の変動は非
常に通常的なことである。液体水準の変動は、処理され
ているバッチ容積の変動、反応体の容積の増減、或いは
反応の進行につれての物質の添加或いは取り出しにより
生じうる。多くのプロセスにおいて、容器オーバーヘッ
ド空間に蓄積する単数乃至複数の気体を再循環しうるこ
とが所望される。これは特に水素化及び酸素化プロセス
の場合に云えることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記米国特許第４，９
１９，８４９号は、この液体水準変動問題に対処しそし
てＡＧＲシステムの渦発生、従って気体の吸引が妨げら
れる環境においてオーバーヘッド気体空間からの気体の
吸引を提供するが、気液混合技術において一層の改善が
所望される。特に、気液混合操作の過程で８フィート
（２．７ｍ）乃至それ以上にも及ぶ大きな液体水準の変
動を持つ反応容器において気液混合の増進を与えること
が所望される。
【０００７】本発明の課題は、液体操作水準条件の変動
を受ける気液混合のための改善されたシステムを開発す
ることである。本発明のまた別の課題は、変動する液体
水準条件の下で気液混合及び反応速度を最大限とするた
めのシステムを開発することである。本発明の更に別の
課題は、完全に液中に浸漬したらせん羽根／ドラフトチ
ューブ組立体に対して中空気体吸引管の使用を最適化す
るための気液混合システムを開発することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の課題は、混合操
作中液体水準の大幅な変動を受ける反応容器において羽
根／ドラフトチューブシステムが望ましい気液混合を効
率的に提供することを可能ならしめるように適正に位置
決めされそして寸法形態を有する中空気体吸引管、即ち
エダクターを使用することにより達成される。即ち、本
発明に従えば、混合容器内で液体の深さが混合操作の過
程で変化する状況の下で気体と液体とを混合するための
装置にして、（ａ）気体及び液体の混合のための混合容
器と、（ｂ）前記混合容器内にその下半部分において気
液混合操作中遭遇する最小液体水準より下側に位置付け
られる羽根／ドラフトチューブ組立体であって、該ドラ
フトチューブの下端が該混合容器の底部上方で該ドラフ
トチューブの直径の約３／４の長さより近づかないもの
とされそして軸流下向き送給式羽根手段を内部に配置し
た中空ドラフトチューブから構成され、渦の発生と気泡
−液体混合物を吸入してドラフトチューブを通しての下
方への通入をもたらす羽根／ドラフトチューブ組立体
と、（ｃ）前記混合容器を通して上方に伸延する駆動軸
手段にして、前記羽根／ドラフトチューブ組立体の羽根
手段を回転せしめて、気泡−液体混合物を該中空ドラフ
トチューブを通して下方へ送給し、該中空ドラフトチュ
ーブ下端から放出しそして該ドラフトチューブと前記混
合容器の壁との間の環状スペースにおいて上方へ通過せ
しめる循環作用を創出する駆動軸手段と、（ｄ）前記羽
根／ドラフトチューブ組立体上方で前記混合容器内の液
体中に前記駆動軸手段から半径方向外方に伸延する少な
くとも２つの中空吸気管にして、該ドラフトチューブの
上端上方に離間されそしてドラフトチューブの直径の１
／４〜１−１／２倍の範囲の距離に位置づけられ、一つ
の中空吸気管の外端から対向する中空吸気管の外端まで
の端から端までの合計長さがドラフトチューブの直径の
１／２〜１−１／２倍の範囲にある中空吸気管と、
（ｅ）前記中空吸気管と気液混合操作中遭遇する最大液
体水準より上方の位置における混合容器内の液面上方の
オーバーヘッド気体空間との流通を与える導通手段とを
備え、変動する液体水準操作の下でオーバーヘッド気体
空間から液体中への気体の望ましい循環を伴って効率的
な気液混合操作を維持することを特徴とする気液混合装
置が提供される。
【０００９】
【作用】混合操作中液体水準の大幅な変動を受ける反応
容器において羽根／ドラフトチューブシステムが望まし
い気液混合を効率的に提供することを可能ならしめるよ
うに位置決めされそして寸法形態を有する中空気体吸引
管を使用する。即ち、中空気体吸引管の位置及び寸法形
態が気液混合及び反応速度を最大限にするためにＡＧＲ
システムのらせん羽根の気体要件と適合せしめられる。
完全に液体中に浸かったらせん羽根／ドラフトチューブ
ＡＧＲ組立体において、気体のすべてが反応速度が最大
となる部位でドラフトチューブに吸引される。羽根／ド
ラフトチューブ組立体上方で混合容器内の液体中に駆動
軸手段から半径方向外方に伸延する少なくとも２つの中
空吸気管は、気液混合及び反応を最大限とするために、
ドラフトチューブの上端上方にドラフトチューブの直径
の１／４〜１−１／２倍の範囲の距離に位置づけられ、
そしてドラフトチューブの直径の１／２〜１−１／２倍
の範囲にある、一つの中空吸気管の外端から対向する中
空吸気管の外端までの端から端までの合計長さを有する
ものとされる。
【００１０】
【実施例】下向き送給式らせん羽根は、従来からのＡＧ
Ｒシステムにおけるように上下に開放端を有する中空ド
ラフトチューブ内部に位置づけられる。ドラフトチュー
ブは混合容器（反応容器）の下半分に、好ましくは混合
容器の下方１／３内に位置決めされる。しかし、ドラフ
トチューブの下端は、混合容器の底部上方でドラフトチ
ューブ直径の３／４の長さ、好ましくは混合容器の底部
上方で一直径分の長さより近付かないように位置づけら
れる。
【００１１】図面の具体例において、混合容器１はその
下方部分にこうして位置づけられたドラフトチューブ２
を装備している。羽根手段３がこのドラフトチューブ内
部に位置づけられそして混合容器を貫通して混合容器上
に設置される駆動モータ５まで上方に伸延する駆動軸４
により駆動される。例示目的で、駆動軸４は、その上方
部分において、混合容器においての気液接触操作の過程
で遭遇する最大液体水準７より上方で気体導入手段６を
具備する中空軸である。混合容器１内の最小液体水準は
番号８により示され、最小液体水準８と最大液体水準７
との間の差が本発明の混合システムを使用しての気液混
合操作の過程で遭遇する液体変動巾９を表す。
【００１２】図示の具体例においては、２つの吸気管１
０及び１１が中空駆動軸４に固着されそしてその内部と
流通状態にある。吸気管は中空駆動軸４から混合容器１
内の液体１２中に半径方向外側に伸延する中空管である
から、混合容器１内のオーバーヘッド気体空間１３から
中空駆動軸４並びに吸気管１０及び１１を通して液体１
２までの気体流通が確立される。吸気管の回転に際し
て、気体は、オーバーヘッド気体空間１３から吸気管に
吸引されそしてそこからドラフトチューブ２上方の領域
において液体中に放出される。
【００１３】吸気管１０及び１１は、１８０度離して隔
置されそしてドラフトチューブの上端の上方でドラフト
チューブの直径の１／４〜１−１／２倍の距離において
配置される。好ましくは、吸気管はドラフトチューブの
上端の上方で１／２〜１直径分の距離において配置され
る。図１から、混合容器の下方に配置される羽根−ドラ
フトチューブ組立体は最小液体水準８の下側に完全に浸
かっていることが銘記されよう。同じく、吸気管１０及
び１１も最小液体水準８の下側に位置決めされている。
【００１４】吸気管は、ドラフトチューブの直径の１／
２〜１−１／２倍、好ましくは１〜１−１／４倍の、端
から端までの長さ（即ち、中空駆動軸の一方側における
吸気管１０の外端から中空駆動軸の他方側における吸気
管１１の外端までの長さ）外方に伸延する。これに関連
して、ドラフトチューブ２は図面においてドラフトチュ
ーブ内への気泡及び液体の流れを促進するためにその上
端において外方に張り出す円錐区画１４を有するものと
して例示されていることが銘記されよう。上で言及した
ものとしてのドラフトチューブの直径とは、一般に、随
意的な円錐区画の外径ではなく、ドラフトチューブ２の
本体の直径を言及するものである。しかし、もしこうし
た円錐区画が使用されるなら、吸気管の端から端までの
合計長さは円錐区画の大きな外径に等しいことが一般に
所望される。吸気管は代表的に、標準寸法の超厚肉パイ
プから作製され、そしてその外径は一般にドラフトチュ
ーブの直径の約１／１７〜１／１９の範囲にある。但
し、本発明の実施においてはこれ以外の寸法も使用する
ことができる。
【００１５】図面はまた、混合容器１の液体変動巾９に
ある領域において分割ドラフトチューブ１５の位置づけ
を例示する。本発明のこの随意的な特徴は、高さの大き
な混合容器、即ち直径に比較して相対的に大きな高さを
有する混合容器において組み込むと有益である。例示具
体例において、分割ドラフトチューブ１５は、その両側
で２つの軸線方向の、上方に伸延する開口、即ち分割部
１６及び１７を有している。任意の便宜な数の軸線方向
上方に伸延する分割部を設けること或いは上方に流れる
液体が分割ドラフトチューブ内部に通入しその内部で下
方に流れて再循環することを可能ならしめ、混合容器全
体を通しての液体の循環を促進することを可能ならしめ
るように別の形態の開口を設けることも本発明の範囲内
である。こうして、混合容器１内をドラフトチューブ２
の外側で吸気管１０及び１１を横切って上方に流れる液
体は、更に上方に移動する過程で、分割ドラフトチュー
ブ１５の分割部１６及び１７を通りドラフトチューブ２
の近傍まで下方に流れて再循環し、ここから羽根手段３
の作用の下でドラフトチューブ内に吸引される。混合容
器１の高さがその直径に比較して特に大きくないなら、
この随意的な分割ドラフトチューブを本発明のシステム
内に組み込むことに利益はほとんど乃至全然ないことを
当業者は理解しよう。
【００１６】本発明の実施において、吸気管を１，５０
０〜３，０００ＦＰＭ（４５０〜９００ｍ／分）の範囲
のその端部での先端速度を達成するように回転すること
が一般に所望される。多くの用途に対して、先端速度は
好ましくは２，０００〜２，４００ＦＰＭ（６００〜７
２０ｍ／分）の範囲とされる。
【００１７】当業者は本発明の範囲内でここに例示した
具体例において様々の変更や改変をなしうることを理解
しよう。即ち、２つ以上の吸気管がドラフトチューブ上
方の所定の位置おいて中空駆動軸に適用されうる。こう
した吸気管は一般に、駆動軸の周囲に等角度で隔置され
るので、３つのそうした吸気管は１２０度離間して設け
られ、４つの吸気管は９０度離して設けられる。吸気管
をドラフトチューブの上方で複数の高さ水準に位置づけ
ることもまた本発明の範囲内である。但し、液体送給ら
せん羽根／ドラフトチューブ組立体に対しての吸気管の
位置及び寸法の適正さにより、複数水準の吸気管を使用
せずとも、所望の気液混合及び反応速度が実現されう
る。いずれにせよ、本発明は最大の反応が起こる部位に
おいて気体の実質上すべてがドラフトチューブ内に吸引
されることを可能ならしめる。
【００１８】外方に伸延する吸気管と羽根駆動軸の外周
面にその長さに沿って取付けられる中空導管との間で流
通を確立することも本発明の範囲内でありうる。この場
合は駆動軸は中実とされうる。中空導管は、オーバーヘ
ッド気体空間と吸気管との間での流通を確立するように
オーバーヘッド気体空間内へと上方に伸延する。
【００１９】本発明の実施において、気体導入目的でド
ラフトチューブの下側で散気リングが代表的に設置され
る。散気リングは代表的にドラフトチューブと同じ直径
を有し、気体導入目的で下方に向く適宜の開口を備えて
いる。
【００２０】本発明の実施において、吸気管の端が吸気
管内での気体流れの方向から後方に配向した角度で切断
されることが一般に所望される。そうした角度付けは、
吸気管から混合容器内の液体中への気体の流れを促進す
る働きをなし、一般に３０〜９０度の範囲にあり、好ま
しくは約４５度である。
【００２１】本発明を液体水準の変動がＡＧＲシステム
の最適下にない操作をもたらす恐れのある従来からの気
液混合操作、例えば有機液体の水素化或いはその酸素化
乃至塩素化に特に言及して説明した。水を副産物とす
る、アニリンを形成するためのニトロベンゼンンの水素
化がそうした状況の代表例である。本発明は他の処理操
作にも拡張されうることを銘記すべきである。例えば、
不活性気体或いは高価な気体、例えば浮遊により液体か
ら固体分を分離するため窒素が固体含有液体中に噴出さ
れる用途において、効率的な液体送給システムと組み合
わされるとき、固体含有液体との混合のためにヘッド空
間からの気体をここで記載したようにして再循環しうる
ことが有益である。
【００２２】当業者は、任意の適当な軸流下向き送給式
羽根手段がドラフトチューブ内で液体の望ましい下向き
流れを創出し、その結果としてドラフトチューブ内に気
泡−液体混合物を吸引するよう渦巻きを形成して、そこ
での混合を増進するのに使用されうることを理解しよ
う。代表的に単一乃至２重らせん形態を持つらせん羽根
が一般に好ましいが、船舶用スクリューその他の市販入
手される軸流羽根車もまた使用されうる。
【００２３】羽根を収納するドラフトチューブと混合容
器壁との間の環状スペースにおいて上方への液体の所望
の再循環そして上方分割ドラフトチューブが使用される
なら分割ドラフトチューブ内への液体の所望の再循環を
促進するために様々の邪魔板手段を混合容器内に組み込
むことができる。
【００２４】システム要素は、そこで行われることを意
図される気液混合操作に適合する任意の従来からの入手
に都合の良い材料から作製されうる。従って、様々の金
属、合金、プラスチック及びガラス材料が特定の用途に
おいて使用されうる。適当な材料の代表的例としては、
ステンレス鋼、ゴム被覆鋼、チタン等を挙げることがで
きる。
【００２５】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、混合容
器内の最適でない変動液体水準が適正な渦発生そして混
合容器内のオーバーヘッド気体空間から液体中への気体
の吸入を妨げる用途において、本発明はＡＧＲ処理操作
が所望通りに実施されることを可能ならしめる。本発明
は、有価値ヘッドスペース気体を液体中に戻して再循環
させることが望まれる場合に特に有用であるが、ＡＧＲ
技術が応用しうる用途範囲を拡大する。本発明は、混合
容器内の広範囲の液体水準条件にわたって水素、酸素、
塩素その他の工業気体が液体と混合されるべき所望の処
理操作へのＡＧＲ技術の使用を増進する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変動水準気液混合システムの概略側面
図である。
【符号の説明】
１ 混合容器 ２ ドラフトチューブ ３ 羽根手段 ４ 駆動軸 ５ 駆動モータ ６ 気体導入手段 ７ 最大液体水準 ８ 最小液体水準 ９ 液体変動巾 １０、１１ 吸気管 １２ 液体 １３ オーバーヘッド気体空間 １４ 円錐区画 １５ 分割ドラフトチューブ １６、１７ 分割部

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 混合容器内で液体の深さが混合操作の過
    程で変化する状況の下で気体と液体とを混合するための
    装置にして、（ａ）気体及び液体の混合のための混合容
    器と、（ｂ）前記混合容器内にその下半部分において気
    液混合操作中遭遇する最小液体水準より下側に位置付け
    られる羽根／ドラフトチューブ組立体であって、該ドラ
    フトチューブの下端が該混合容器の底部上方で該ドラフ
    トチューブの直径の約３／４の長さより近づかないもの
    とされそして軸流下向き送給式羽根手段を内部に配置し
    た中空ドラフトチューブから構成され、渦の発生と気泡
    −液体混合物を吸入してドラフトチューブを通しての下
    方への通入をもたらす羽根／ドラフトチューブ組立体
    と、（ｃ）前記混合容器を通して上方に伸延する駆動軸
    手段にして、前記羽根／ドラフトチューブ組立体の羽根
    手段を回転せしめて、気泡−液体混合物を該中空ドラフ
    トチューブを通して下方へ送給し、該中空ドラフトチュ
    ーブ下端から放出しそして該ドラフトチューブと前記混
    合容器の壁との間の環状スペースにおいて上方へ通過せ
    しめる循環作用を創出する駆動軸手段と、（ｄ）前記羽
    根／ドラフトチューブ組立体上方で前記混合容器内の液
    体中に前記駆動軸手段から半径方向外方に伸延する少な
    くとも２つの中空吸気管にして、該ドラフトチューブの
    上端上方に離間されそしてドラフトチューブの直径の１
    ／４〜１−１／２倍の範囲の距離に位置づけられ、一つ
    の中空吸気管の外端から対向する中空吸気管の外端まで
    の端から端までの合計長さがドラフトチューブの直径の
    １／２〜１−１／２倍の範囲にある中空吸気管と、
    （ｅ）前記中空吸気管と気液混合操作中遭遇する最大液
    体水準より上方の位置における混合容器内の液面上方の
    オーバーヘッド気体空間との流通を与える導通手段とを
    備え、変動する液体水準操作の下でオーバーヘッド気体
    空間から液体中への気体の望ましい循環を伴って効率的
    な気液混合操作を維持することを特徴とする気液混合装
    置。
  2. 【請求項２】 羽根−ドラフトチューブ組立体が混合容
    器の下方１／３内に位置づけられる請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 中空吸気管がドラフトチューブの上端上
    方でドラフトチューブの直径の１／２〜１倍の範囲の距
    離に位置づけられる請求項１の装置。
  4. 【請求項４】 中空吸気管がドラフトチューブの直径の
    １〜１−１／４倍の範囲にある、一つの中空吸気管の外
    端から対向する中空吸気管の外端までの端から端までの
    合計長さを有する請求項１の装置。
  5. 【請求項５】 駆動軸手段が気液混合操作中遭遇する最
    大液体水準上方から中空吸気管の位置まで伸延する中空
    部分を有する駆動軸からなり、該中空部分が中空吸気管
    と混合容器内の液面上方のオーバーヘッド気体空間との
    間の流通を提供する導通手段を構成し、オーバーヘッド
    気体空間から駆動軸の中空部分内に気体の通過を可能ら
    しめるよう駆動軸に気体導入手段を含む請求項１の装
    置。
  6. 【請求項６】 導通手段が駆動軸手段に取付けられそし
    て気液混合操作中遭遇する最大液体水準上方から中空吸
    気管の位置まで伸延する導管から構成される請求項１の
    装置。
  7. 【請求項７】 ２つの中空吸気管が駆動軸手段から半径
    方向外方に伸延する請求項１の装置。
  8. 【請求項８】 中空吸気管が１８０度離間される請求項
    ７の装置。
  9. 【請求項９】 ３つの中空吸気管が駆動軸手段から半径
    方向外方に伸延する請求項１の装置。
  10. 【請求項１０】 中空吸気管が１２０度離間される請求
    項９の装置。
  11. 【請求項１１】 ４つの中空吸気管が駆動軸手段から半
    径方向外方に伸延する請求項１の装置。
  12. 【請求項１２】 中空吸気管が９０度離間される請求項
    １１の装置。
  13. 【請求項１３】 駆動軸手段が中空吸気管を１，５００
    〜３，０００ＦＰＭ（４５０〜９００ｍ／分）の範囲の
    先端速度において回転せしめる請求項１の装置。
  14. 【請求項１４】 駆動軸手段が中空吸気管を２，０００
    〜２，４００ＦＰＭ（６００〜７２０ｍ／分）の範囲の
    先端速度において回転せしめる請求項１３の装置。
  15. 【請求項１５】 中空吸気管の外端が該吸気管を通る気
    体流れの方向から後方に配向する角度で切断される請求
    項１の装置。
  16. 【請求項１６】 切断角度が３０〜９０度の範囲である
    請求項１５の装置。
  17. 【請求項１７】 切断角度がほぼ４５度である請求項１
    ６の装置。
  18. 【請求項１８】 羽根／ドラフトチューブ組立体上方で
    混合容器内の液体の気液混合操作中遭遇する最小液体水
    準と最大液体水準との間の帯域において位置づけられる
    分割ドラフトチューブを更に含み、該分割ドラフトチュ
    ーブが混合容器内を上方に流れる液体が分割ドラフトチ
    ューブの内部に通入して羽根／ドラフトチューブ組立体
    近傍にまで循環することを可能ならしめる開口を有して
    いる請求項１の装置。
  19. 【請求項１９】 分割ドラフトチューブが液体通入のた
    めの開口を構成する軸線方向に伸びる分割部を有する請
    求項１８の装置。
  20. 【請求項２０】 分割ドラフトチューブが２つの軸線方
    向に伸びる分割部を対向して有する請求項１９の装置。
  21. 【請求項２１】 中空吸気管がドラフトチューブの上端
    上方でドラフトチューブの直径の１／２〜１倍の範囲の
    距離に位置づけられそして羽根−ドラフトチューブ組立
    体が混合容器の下方１／３内に位置づけられる請求項１
    の装置。
  22. 【請求項２２】 ドラフトチューブの下端が混合容器の
    底上方でドラフトチューブのほぼ１直径分の位置にある
    請求項１の装置。
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