JPH06505432A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、二相又は三相系用の反応装置に関するものである。

本発明の特定の用途は、好気性細菌の溶出の場合において必要とされるように、 鉱物粒子のスラリーを含有する流体を、空気又は他の好適な酸素含有気体によっ てエアレージコンすることである。しかし、本発明はこの用途には限定されず、 あらゆる気体／液体、気体／液体／固体、又は気体／液体／固体／微生物系のエ アレージコンに拡張できる。

本発明の備える利点は、流体を気体によって、低いエネルギーを使用して及び気 体利用率の観点で高効率でエアレージコンできることである。

この「エアレージコン」という用語は、ここでは、流体内に一種又は複数種の気 体を導入することを意味するものと理解される。

発明の背景 スラリーをエアレージコンする反応装置が、鉱業において長年使用されてきてい る。この反応装置の二つの主要な型は、パチュー力（又は空気攪拌反応装置）及 び機械的攪拌反応装置である。

このパチュー力反応装置は、構成及び操作が単純なので、初期には好まれていた が、反応装置の寸法が増大するのにつれて徐々に支持を失った。このように支持 を失ったのは、良好な鉱物懸濁液を得るために必要な圧縮空気の量が多いことに よる。

また、バチュー力反応装置内での空気の保持時間が、効率的な質量移動には短か すぎ、バチューカ反応装置は空気のチャネリングが生じ易い。一般には、空気の 攪拌が非能率であるのは、効率的な攪拌に応じた泡の寸法が、効率的な質量移動 のためには大きすぎるからである。

機械的攪拌は、とりわけ大型の反応装置において、インペラーの設計が一層効率 的になるのにつれて、一層広汎に使用されてきており、余分の投資コストも、攪 拌に必要なエネルギーが相対的に低いことによって補償されておつりがきたこと が、明らかになった。

空気を溶液へと効率的に質量移動させるためには、良く混合された系中に微細に 分散された泡を得、この泡が反応装置中で長い保持時間を有することが必要であ る。実際には、空気を高剪断タービンインペラーに通過させるか、又は空気を膜 又は多孔質ディフューザーを通して導入することによって、この状態を得てきた 。これらの方法はいずれもエネルギー集中的である。

なぜなら、空気を充分な過圧力で導入し、注入点での液体の圧力を克服し、この 注入孔、膜又はディフューザーを横切る時の圧力降下を克服しなければならない からである。通常、この注入点は反応装置の底にあり、とりわけ、大型の容器を エアレージコンする場合には、主要なコストの一つが、注入に必要な圧力まで空 気を圧縮するための投資及び稼働エネルギーのコストである。もしこのタンクが 約１０ｍよりも深い場合には、空気ブロアよりもむしろ、高価で高圧のコンプレ ッサーを装備する必要がある。更に、スラリー用の反応装置において、多孔質デ ィフューザー又は多孔分散管を使用すると、これらのディフューザーの障害物を 除去するために稼働時間の損失がもたらされつる。

更に、機械的攪拌反応装置は、多量の空気が必要な場合には、非効率的になる。

なぜなら、空気をこの反応装置中に分散させるために必要な出力が、非常に大き くなるからである。更に、細菌反応装置の場合には、高速インペラーの刃先に存 在する剪断力が、この細菌に損傷を与えつる。

更に、特に気体／液体／固体系に対しては、この固体を懸濁液中に維持すること が重要であり、この流体をエアレージジン装置中で循環させるのに要する出力が 、顕著なコスト因子になる。

発明の要約 本発明により提供する、気体を流体中へと導入するための反応装置は、この流体 用の混合タンク；このタンクを少なくとも二つのチャンバへと分割し、このタン クの下部領域及び上部領域でこれらのチャンバの間で流体を流れさせるための区 分手段；前記チャンバの一つの中に配置された、流体を一方のチャンバ内で下向 きに循環させ、次いで他方のチャンバ内で上向きに循環させるためのポンプ手段 ：断面が狭い領域を有する筒状部材を備え、この断面が狭い領域が、流体に筒状 部材を通過させるベンチュリ作用を付与し、これにより断面が狭い領域内で流体 の速度を増大させ、この流体の圧力を減少させる、流体中に圧力減少領域を作り だすための手段：この圧力減少領域内で流体中へと気体を導入し、この流体をエ アレージコンする手段；及びこのエアレージコンされた流体を、タンク内で循環 中の流体中へと導入する手段を備えている。

本発明により提供する、気体を流体中へと導入するための反応装置は、この流体 用の混合タンク；このタンクを少なくとも二つのチャンバへと分割し、このタン クの下部領域及び上部領域でこれらのチャンバの間で流体を流れさせるための区 分手段；前記チャンバの一つの中に配置された、流体を一方のチャンバ内で下向 きに循環させ、次いで他方のチャンバ内で上向きに循環させるためのポンプ手段 ；タンクからの流体の副流のための外部回路を備え、この外部回路が、 （ａ）この流体の副流中に圧力減少領域を作りだすための手段、 （ｂ）この圧力減少領域内の流体中へと気体を導入し、流体をエアレージコンす るための手段、及び（Ｃ）流体のエアレージコンされた副流を、タンク内で循環 中の流体中へと導入する手段を備えている。

好ましくは、区分手段が、タンク内の流体中に浸漬するのに適合した吸い出し管 からなり、この吸い出し管が、開いた下側端部と開いた下側端部とを有する。

特に好ましくは、タンクが筒状であり、吸い出し管が、タンク内の中央に配置さ れ、このタンクを内側チャンバと外側筒状チャンバとに分割する。

好ましくは、ポンプ手段が吸い出し管内に配置される。

好ましくは、ポンプ手段が軸流ポンプからなる。

特に好ましくは、この軸流ポンプが、吸い出し管内に配置されたインペラーを含 む。

特に好ましくは、エアレージコンされた流体を、タンク内で循環中の流体中へと 導入する手段が、このエアレージコンされた流体を吸い出し管内へとインペラー の上流に導入するように設置されている。

好ましくは、気体を流体内へと導入する手段が、多孔質膜、孔、又はジェットか らなる。

また、本発明により提供する、気体を流体中へと導入する方法は、この流体をポ ンプ手段によって混合タンク内で循環させ、混合タンクが、このタンクの上側及 び下側領域で流通している少なくとも二つのチャンバを備え、これにより流体が 一方のチャンバ内で下向きに流れかつ他方のチャンバ内で上向きに流れ；この流 体の一部に圧力減少領域を作りだし；この圧力減少領域内で流体の前記一部内へ と気体を導入して流体をエアレーションし；及びこのエアレーションされた流体 を、タンク内で循環中の流体中へと導入することを含む。

図面の説明 添付図面を参照しつつ本発明を更に説明する。ここで、図１は、本発明に従って 作製した反応装置の好適例を模式的に示し； 図２は、図１に示す反応装置で使用するベンチュリ装置の基本的設計を詳細に模 式的に示し； 図３は、図１に示す反応装置で使用するベンチュリ装置の好適例を詳細に模式的 に示し：及び 図４は、図１に示す反応装置と従来の空気攪拌反応装置についての、酸素摂取及 び酸素利用率対空気流を示すグラフである。

発明の詳細な説明 本発明の反応装置の好適例を、ここでは、鉱物及び水のスラリーの空気によるエ アレーションに関して説明する。しかし、本発明がこの用途には制限されず、懸 濁固体を有する又は有しないあらゆる流体のエアレーションに拡張されることに 留意すべきである。

図１に示す反応装置１１が備える混合タンク１２にスラリーが収容され、垂直吸 出し管１３がこのスラリー中に浸漬され、モーター駆動軸流インペラー１４が、 この吸出し管１３中にその頂部付近に配置されている。このタンク１２は、あら ゆる適当な寸法のものであってよい。この吸出し管１３は、開いた上側及び下側 端部１６．１８を備えており、混合タンク１２中に中央に配置され、この混合タ ンク１２を内側チャンバ２１及び外側筒状チャンバ２３に分割している。使用時 には、インペラー１４が、吸出し管１３中で下向きにスラリー流を生じさせ、次 いで外側筒状チャンバ２３中で上向きに生じさせる。このスラリー流は、懸濁液 中に鉱物粒子が保持されるように、制郊される。

更に、この反応値ｆｔ１ｌが備える外部回路か、スラリーの一部分を混合タンク １２から引出し、このスラリーをエアレーションし、こうして空気に富んだスラ リーを混合タンク１２へと戻す。この外部回路は、再循環ライン６、外部回路を 回るようにスラリーを押し出すためのポンプ１５、及びスラリーをエアレーショ ンするベンチュリ装置１７を備えている。この外部回路は、スラリーを混合タン ク１２の上部から引出し、空気に富んだスラリーを吸出し管１３内でインペラー １４の上の位置に戻すように配置されており、この空気に富んだスラリーの、混 合タンク１２内を循環するスラリーとの混合を最適化している。

この外部回路が備える少なくとも一つの再導入ノズル１９が、空気に富んだスラ リーを吸出し管１３の下方に向けるように配置されている。

図２は、ベンチュリ装置１１７の基本的設計の特徴を示す。この図面を参照する と、ベンチュリ装置１７が備える筒状体２５が、入口端部４１、出口端部４３、 及び、断面が狭い領域を輪郭付ける中間喉部３を備えており、この領域内に、ス ラリーと混合させるための空気を導入する孔２がある。このスラリーが、筒状体 ２５を通って矢印Ａで示す方向に流れるとき、スラリーが喉部３に入るのに従っ てその流速が増大し、これにより、ベルヌーイの等式に従って圧力が減少する領 域が生ずる。この結果、圧力減少領域に空気を導入するために、空気を高圧にす る必要がなく、空気を低圧で又は自然吸引によって導入できる。

スラリーが喉部３から流れるのにつれて、断面積が増大する領域５へとスラリー が入り、ここで流体速度が減少し、その圧力が増大する。

断面積が増大する領域５は、空気に富んだスラリーが喉部３から流れる時にそれ が膨張する時に、エネルギーの回収を最大にできるように成形されている。更に 、ベンチュリ装置１７の設計及び稼働パラメーターは、気泡からスラリーへの効 率的な酸素の質量移動に最適な寸法の気泡を形成できるように、選択する。この 結果、空気の必要量が最小になり、これにより稼働コストが下がる。この設計及 び稼働パラメーターには、スラリーの流速、空気圧、及びスラリー中への空気注 入手段が含まれる。

図３に示す好適例のベンチュリ装置１７は、容量３０００リツトルの混合タンク １２及び直径７５ｍｍの再循環ライン６と共に使用される。ベンチュリ装置１７ の喉部３は、２５°の入口円錐部４５と７°の出口円錐部４７とを備えている。

喉部３の直径は２５ｍｍであり、入口及び出口端部４１．４３の直径は７５ｍｍ である。孔２は、喉部３の出口円錐部４７内に位置し、間隔が５ｍｍ離れた３つ の周縁列に配置され、各列が２４Ｘ１ｍｍの孔を有する。

本発明の一般的側面は、ここで上記した特定の詳細には限定されないことが明確 に理解される。

ここで、本発明を、次の実施例を参照して説明する。

軸流インペラーによって攪拌される３０００リツトルの混合タンクを備え、この インペラーの下方に装備された１ｍｍ穿孔環状多孔分散管を通して空気注入を行 う従来の反応装置、及び、吸出し管内に位置する軸流インペラーによって攪拌さ れる３０００リツトルの混合タンクを備え、エアレーションされたスラリーをこ の軸流インペラーの上の位置に戻すベンチュリ装置を有する図１に示す本発明の 好適例の反応装置について、一連の実験を実施した。

このタンクは、チオバチルス　フェロオキシダンス（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ 　ｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｎｓ　）によって細菌溶出された黄鉄鉱／磁硫鉄鉱（ｐ ｙｒｉｔｅ／ｐｙｒｈｏｔｉｔｅ）テールの８％ｗ／ｖスラリーを含有していた 。

各タンクのエアレーション性能を評価し、これらの結果を図４に示した。

図４は、 （ａ）スラリー中の酸素摂取と、従来の反応装置及び好適例の反応装置中への空 気流との間の関係；及び（ｂ）酸素利用率と、従来の反応装置及び好適例の反応 装置中への空気流との間の関係を示す。

「酸素摂取Ｊという用語は、液体へと移動する酸素の量を示し、従ってエアレー ジコンの程度を示す直接の物差しである。

［酸素利用率」という用語は、液体へと移動する酸素の量の、反応装置内に導入 される全酸素量に占めるパーセンテージを示し、従ってエアレージクンの効率を 示す直接の物差しである。

図４を参照すると、「空気多孔分散管」という用語は、従来の反応装置を示し、 「ベンチュリエアレージクン装置」という用語は、好適例の反応装置を示す。

図４の結果が示す所では、好適例の反応装置のエアレージクン性能は、従来の反 応装置のエアレージクン性能よりも顕著に良い。好適例の反応装置を用いた特定 例によると、６０１／分の空気流及び５０％の酸素利用率において、１５０ｍｇ の０゜／スラリー１リットル／時間でスラリーをエアレージクンすることができ 、一方従来の反応装置を用いると、１５０１／分の顕著に高い空気流速及び２０ ％の顕著に低い酸素利用率において、１５０ｍｇのＯ，／スラリー１リットル／ 時間でスラリーをエアレージクンできたのみであった。

所定容量の空気で各型の反応装置をエアレージクンするために必要な出力を監視 し、１０００ｍ”のタンク内でのエアレージコンに必要と予期される出力を示す 値へとスケールアップした。これらの結果を表１に示す。

表１：エアレーションに必要な出力の比較タンクの構成　エアレーション出力 （Ｗｈ／空気のｍ３） 空気多孔分散管を備える　８０ 従来の反応装置 吸出し管及びベンチュリ　２０ を備える本発明の反応装置 これらの結果が示すように、好適例の反応装置を用いると、従来の反応装置にく らべて、顕著に出力を低減できる。特に、これらの結果が示すところでは、供給 された空気の１ｍ”あたりに必要なエネルギーが、好適例の反応装置に対しては 、従来の反応装置に対するよりも４倍低かった。上で議論した１５０ｍｇの０． ／スラリー１リットル／時間のＯ８摂取を達成するためのエネルギー利用率の結 果に基づくと、酸素移動１ｍ”あたりに必要なエネルギーは、好適例の□反応装 置に対しては、従来の反応装置に対するよりも、９倍低かった。

本発明の好適例の反応装置は、従来の反応装置に対して次の利点を有する。

（１）気体が低圧で又は自然吸引によって供給され、従って高価な高圧気体コン プレッサーの必要がなくなり、反応装置に必要な出力が低減される。特に、攪拌 機を、鉱物粒子を懸濁させ、エアレージコンされたスラリーを循環させるためだ けに使用できる。

（２）この気体は、ベンチュリ装置内で、流体速度が高い点で注入又は自然吸引 される。これは非常に小さな泡を作りだし、従って酸素の溶液内への質量移動を 増進させる。この結果、反応装置に必要な空気が最小になるので、その稼働コス トが低くなる。

（３）エアレージタンされたスラリーが、混合タンクへとインペラーの上へ吸出 し管の中央部内に低圧で戻される。この結果、スラリーを循環させるのに必要な ポンプの出力が最小になるので、稼働コストが低くなる。

（４）混合タンク内の内部部品が少ないので、反応装置の投資コストを最小にで きる。更に、大きな反応装置を建設でき、規模の点で経済的である。

（５）混合タンクの内側で働かなくなる部品が少ないので、維持コスト及び休止 時間を最小にできる。単一のエアレージコン装置を、反応装置全体の性能に影響 することなしに、処理のために閉鎖することができるので、外部部品の処理は簡 単である。ブロックされたエアレージクン装置を置き換えるのは、プロセスの阻 害を最小にして迅速に実施できる。

（６）本発明は、気体−液体一固体系内の効率的な気体供給及び固体の懸濁に適 しており、又は気体−液体系への効率的な気体供給に適している。本発明の適用 例は、細菌浸出におけるように、鉱物粒子の反応中のスラリーを懸濁させること 及びエアレージクンすることである。他の用途には、合成ガスの生メタン化法、 下水又は他のスラッジの好気性消化及びベツヒヤープロセスにおけるような合成 ルチルの製造を含む。しかし、この用途は、これらの分野に限定されない。

ここに記載した反応装置の好適例に対し、本発明の思想及び範囲からは離れるこ となく、多くの変更を行うことができる。

例えば、好適例では吸出し管１３の頂部付近にインペラー１４が位置しているが 、本発明は、こうした装置には限定されず、インペラーＩ４は、吸出し管１３の 長さ方向に沿ったあらゆる適宜の位置に位置していてもよい。

聾 国際調査報告　＋□１・□陶 ＦＩＩ＋ｖ＋＋　ＰＣＴｎＳＡｆ：Ｉ　Ｏ＋ｃｏ＋ｍ＋ｎ−ｏ１　ｎｒｍ　ｒｈ ｅｃ＋　１ｍｌ＋　１ｊ　ｕｌｙ　ｌ　９９！ｌ　Φ−％国際調査報告　−ｅｍ ｓ＋＝闇１ｍｐｐｌ−ゆＭｅＰＣＴＩＡＬＩｔ２／閲６６ Ｆｏｍ　ｐｃｔｍムｎ１０　（ｃｏ＋＋１１＋ｇｗ□　ｏｔ　圃冷−−ＸＪ　ｕ ＋　ｙ　ｌ　ｆｉｌ　ｃａｐｈ３に国際調査報告　ｌ−−１鳳ＰＰ１−ｍＮ６Ｐ ＣＴ／Ａ−伸 Ｆｏｒｍ　ＰＣゴ／１５Ａ／２１＆−一（ｕｎｉｆｙ　ａ＋ｗｅｘＸＩｕｌｙ　 １９９２１フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＰＴ、ＳＥ） 、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　ＭＬ、 　ＭＲ，ＳＮ、　ＴＤ。

ＴＧ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ。

Ｃ３，ＤＥ、ＤＫ、ＥＳ、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＬＵ、 ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎ。

、ＮＺ、ＰＬ、ＰＴ、ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ、ＳＥ、ＵＡ。

（７２）発明者　カドシカラス　ニコラスオーストラリア国　ビクトリア　３０ ８４　ハイデルベルク　アンダーソン　ストリート

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．気体を流体中へと導入するための反応装置であって、この流体用の混合タン ク；このタンクを少なくとも二つのチャンバヘと分割し、このタンクの下部領域 及び上部領域でこれらのチャンバの間で流体を流れさせるための区分手段；前記 チャンバの一つの中に配置された、流体を一方のチャンバ内で下向きに循環させ 、次いで他方のチャンバ内で上向きに循環させるためのポンプ手段；断面が狭い 領域を有する筒状部材を備え、この断面が狭い領域が、流体に筒状部材を通過さ せるペンチュリ作用を付与し、これにより断面が狭い領域内で流体の速度を増大 させ、この流体の圧力を減少させる、流体中に圧力減少領域を作りだすための手 段；この圧力減少領域内で流体中へと気体を導入し、この流体をエアレーション する手段；及びこのエアレーションされた流体を、タンク内で循環中の流体中へ と導入する手段を備えている、反応装置。
2. ２．前記区分手段が、タンク内の流体中に浸漬するのに適合した吸い出し管から なり、この吸い出し管が、開いた上側端部と開いた下側端部とを有する、請求項 １に記載の反応装置。
3. ３．前記タンクが筒状であり、前記吸い出し管が、タンク内の中央に配置され、 このタンクを内側チャンバと外側筒状チャンバとに分割している、請求項２に記 載の反応装置。
4. ４．前記ポンプ手段が軸流ポンプからなる、請求項１〜３のいずれか一つの項に 記載の反応装置。
5. ５．前記軸流ポンプが吸い出し管内に配置されている、請求項４に記載の反応装 置。
6. ６．前記軸流ポンプがインペラーを備えている、請求項４又は５に記載の反応装 置。
7. ７．エアレーションされた流体を、タンク内で循環中の流体中へと導入する手段 が、このエアレーションされた流体を吸い出し管内へとインペラーの上流に導入 するように設置されている、請求項６に記載の反応装置。
8. ８．気体を圧力減少領域内で流体内へと導入する手段が、多孔質膜、孔、又はジ ェットからなる、請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の反応装置。
9. ９．タンクからの流体の副流のための外部回路を更に備えており、この外部回路 が、 （ａ）この流体中に圧力減少領域を作りだすための手段、（ｂ）この圧力減少領 域内の流体中へと気体を導入し、流体の副流をエアレーションするための手段、 及び（ｃ）流体のエアレーションされた副流を、タンク内で循環中の流体中へと 導入する手段を備えている、請求項１〜８のいずれか一つの項に記載の反応装置 。
10. １０．気体を流体中へと導入するための反応装置であって、この流体用の混合タ ンク；このタンクを少なくとも二つのチャンバヘと分割し、このタンクの下部領 域及び上部領域でこれらのチャンバの間で流体を流れさせるための区分手段；前 記チャンバの一つの中に配置された、流体を一方のチャンバ内で下向きに循環さ せ、次いで他方のチャンバ内で上向きに循環させるためのポンプ手段；タンクか らの流体の副流のための外部回路を備え、この外部回路が、 （ａ）この流体の副流中に圧力減少領域を作りだすための手段、 （ｂ）この圧力減少領域内の流体中へと気体を導入し、流体をエアレーションす るための手段、及び（ｃ）流体のエアレーションされた副流を、タンク内で循環 中の流体中へと導入するための手段を備えている、反応装置。
11. １１．前記区分手段が、タンク内の流体中に浸漬するのに適合した吸い出し管か らなり、この吸い出し管が、開いた上側端部と開いた下側端部とを有する、請求 項１０に記載の反応装置。
12. １２．前記タンクが筒状であり、前記吸い出し管が、タンク内の中央に配置され 、このタンクを内側チャンバと外側筒状チャンバとに分割している、請求項１１ に記載の反応装置。
13. １３．前記ポンプ手段が軸流ポンプからなる、請求項１０〜１２のいずれか一つ の項に記載の反応装置。
14. １４．前記軸流ポンプが吸い出し管内に配置されている、請求項１３に記載の反 応装置。
15. １５．前記軸流ポンプがインペラーを備えている、請求項１３又は１４に記載の 反応装置。
16. １６．エアレーションされた流体を、タンク内で循環中の流体中へと導入する手 段が、このエアレーションされた流体を吸い出し管内へとインペラーの上流に導 入するように設置されている、請求項１５に記載の反応装置。
17. １７．流体中に圧力減少領域を作りだすための手段が、断面が狭い領域を有する 筒状部材を備え、この断面が狭い領域が、流体に筒状部材を通過させるベンチュ リ作用を付与し、これにより断面が狭い領域内で流体の速度を増大させかつこの 流体の圧力を減少させる、請求項１０〜１６のいずれか一つの項に記載の反応装 置。
18. １８．気体を圧力減少領域内で流体内へと導入する手段が、多孔質膜、孔、又は ジェットからなる、請求項１０〜１７のいずれか一つの項に記載の反応装置。