JPH09504984A - 固体、液体或いは気体状態の物質の物理化学的処理装置及び反応器における改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置は２つのスクリュを有し、それらのうちの少なくとも１つ（５）は利用時に処理中のガスの出入りを可能とする付加的な空間を形成するための装置（５ｃ）を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】 固体、液体或いは気体状態の物質の 物理化学的処理装置及び反応器における改良 化学現象或いは物理化学現象は、対面する物質の界面に生じる。つまり、固体 、液体或いは気体の小集合体の境目にできる接触面の表層に生じる。また、分子 の吸着と分離を生じさせる表面張力が発生するのも、この表層においてである。 また、気体の溶解や出現が生じるのも、液体と固体の溶解或いは分離が生じるの も、熱交換と膜気密力と同様に、この層においてである。 本発明は結論として、上記物質の分配と乱脈でない再構成を常時行い、界面に 高度に活性化された表層を創造する装置に関わるものである。 フランス国特許1562004には、ペースト状、粉末状、或いは繊維質のいくつか の材料から均質な混合物を作り出す装置が記載されている。 この装置は、自由端側にラッパ状に開いた円錐台状の軸柱を有する二つのスク リュより構成され、該スクリュは縦の通路によって連絡する隣接した二つの穴内 に各々位置する。材料を入れるのに役立つ容積は、各穴に沿って増加しまた同様 に減少する。材料は一つの穴から他の穴へと移動し、整然と分離しまた再接触す る。材料は一つの容積室を離れると同じ大きさの他の容積室を、増圧も減圧もな しに、占拠する。 スクリュは該特許の図３に示された矢印の方向へ材料を移動させる。材料は開 口Ａから入り、開口Ｂから出る。スクリュのこの作用は、反応器内の一定容積室 内で接触する固体と液体の界面の急速な更新を実現する。 実験の示すところによれば、この構造は、 −液体−気体及び固体−気体の界面の更新を妨げる。 −反応媒質の溶解や分離を可能にする気体の流通に必要な大面積の自由な空間 を、作動中に、形成しない。 これは、装置の利用を極めて制限する。事実、化学反応の実現と操作は、気体 の相をも制御することを要求する。 本発明の目的たる改良は上記不都合を解消することにあり、これら気相のより よい制御と、固体−気体と液体−気体の界面の生成とを可能にする装置の実現を 意図するものである。 なお以下の説明において、 −「材料」という用語は、固体及び液体が支配状態にある物質を指す。 −「空き容量」或いは「空き空間」という用語は、気体媒質を指す。 本発明の主題は請求項１に記載された装置にある。 限定のためでなく例示として与えられた添付の図面により、本発明、その特徴 並びに得られる利点がよりよく理解できるであろう。 図１は本発明による改良を適用した装置の縦断面図である。 図２は図１のII−II線断面図であり、Ｉ−Ｉは図１の断面を示している。 図３は本発明による装置内での材料の循環を模式的に示すものである。 図４は第１の変形例を示す、図１と同様な断面図である。 図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は他の形態の実施例による装置の縦断面図である。 図７は図６図のVII−VII線断面図である。 図８は図１の実施例の他の変形例の縦断面図である。 図９は図８のIX−IX線断面図である。 以下の記述を簡潔にするために、図示したスクリュの各々の円錐形軸柱はこれ らのスクリュの軸に沿ってある一定の角度で示されている。これは発生器に沿っ て材料の正規の出口を一つ作り出す。 この出口は、スクリュの幾何学的な軸に沿って円錐形軸柱の傾斜を様々に変え ることにより、調整できることが理解されよう。 図１に示された本発明の第１の実施例による装置は、第一のスクリュ１を有し 、該スクリュ１のねじ山1aは、ケーシンング２内に形成された穴或いは空間2aと 協働する。スクリュ１の軸柱は二円錐、つまり頂点で結合した二つの円錐部分か らなり、この二つの部分を各々左から1bと1cとする。軸柱1bと1cは、各々側板３ と４内で回転する軸の両端1dと1eの内側にある。軸端1eは、図示されていない何 らかの手段で適切に回転駆動される。 本発明による装置の第二の部分をなすスクリュ５のねじ山5aは、図２に示すよ うに、第一の穴2aに平行にケーシング２内に形成された第二の穴或いは空間2bと 協働する。 スクリュ５は、一端を最大直径とする円筒一円錐形の軸柱(5c-5b)を有する。 該軸柱の直径はスクリュの5b部分に沿って減少していき、5c部分に至って最小と なり、あとは該スクリュの他端まで一定である。 明らかなのは、スクリュ１の長さがスクリュ５の長さより短いことで、このた めスクリュ５の軸柱の円筒部分5cの長さはスクリュ１の軸柱の1c部分の長さより 長い。この長さの増加の特別な理由は、側部の大域で装置と空間発生(groupe pr oducteur）装置とを結合して、気体のよりよい循環を可能にするためである、こ の配置は、本発明による機能の原理に関する説明においてなんの影響も持たない 。勿論、穴2bの両端の一方は側板３で、他方は側板６で閉じられる。 ケーシング２には、穴2aと2bを隔てる、穴2aの長さ分だけの、縦方向の穴2cが 穿たれている。勿論、穴2cの幾何学的縦軸は穴2a、2bの軸と平行である。 穴2c内には、両端7a、7bと中央部7cを有する一つの管７が設けられている。こ れらの三部分の間に管７は二つの隙間7d、7eを有し、該隙間は穴2aと2b間を連絡 する通路となっている。側板３の外側に位置する管７が有する頭部7fは、二つの 穴の間の通路セクションを様々に変化させるために、管を回転させることを可能 にする。 図示されていない他の実施形態では、管７は、別個に作動されうる分離した二 つの部分からなる。このような構成によれば、殊に充填、排出の場合に、材料の 循環を更によく、行うことを可能にする。 回転する調整可能なこのような閉鎖物を、軸上を移動する滑り弁の類の装置に よって代替しても、本発明を逸脱しない。 言うまでもないが、実施においては、平行な円筒形の穴2aと2bを隙間によって 直接連絡すれば、管７は削除されうる。 最後に明らかなことは、ケーシング２の中央部に材料の入口があることであり 、スクリュ１の中央部に設けられたこのような入口は８で示されている。また同 様に、スクリュ５の軸柱の5b部分の直径の大きい端に、材料の出口９が位置して いる。 出口９の反対側に気体の排出或いは導入のための通路10がある。 以下の説明において、スクリュ５の軸柱の5c部分の長さはスクリュ１の軸柱の 1c部分の長さに等しく、穴2bは、側板４を通るＸ−Ｙ線によって中断されるもの と仮想する。 円筒形の空間すなわち穴2aと2bの各々は2Vなる同一の容積を占める。これらの ２つの空間すなわち穴2aと2bの総容積は、2V＋2V＝4V に等しい。（第３図） 図示した実施例では、三つの円錐形軸柱がスクリュに沿って一定の同一の傾斜 角度を有し、それらは各々体積V0＝V/3 を占める。 これらの条件下で穴2a内における各円錐形軸柱の周囲の自由空間の容積V1は各 々下記の値を有する。 V1＝V −V/3 ＝2V/3 スクリュ５の軸柱の5b部分の周囲の自由空間の容積はV2と称し、一方スクリュ ５の軸柱の円筒形部分5cの周囲の空間の容積はV3と称する。簡略化のために、該 容積V3はVに、つまり空間すなわち穴2bの半分の容積に、等しいとみなす。また 容積V2は容積V1に等しいと理解される。故に V3=V 及び V1=V2=2V/3 となる。 反応器の全有効容積は故に2V1＋V2＋V3であり、V に換算すれば、 2V/3＋2V/3＋2V/3＋3V/3＝9V/3＝3V となる。 反応サイクルにおいて作用する材料の量は、空間2b内に約V/3 の自由容積を残 しなから、6V/3と8V/3の間にある、と理解される。 また、2bの全空間内で、有効な断面積は最大でなければならない。 これは、円筒形の構造とスクリュの軸柱5cの小さな直径によって得られる。 スクリュ５の軸柱の円筒形部分5cの周囲の容積V3＝V は、つまり環状断面を呈 し、これは同セクションの通路10まで最大にして一定である。 この重要な環状断面は通路10の断面と同様に減圧下での作用を可能にするため に殊に不可欠である。減圧下の作用は、運転室(I'enceinte de travail)内、場 合によっては凝縮器内、また反応器の下流に位置する空間発生装置内において、 負荷のロスを非常に少なくするために要求される。 明らかなのは、通路10の大きな断面積は、穴2aより穴2bが長いために得られる ことである。このような構成は、回転中にスクリュ５を支える側板６を保持する ことも可能にする。 材料は矢印に従って循環する。駆動力は装置の全空間内でデッドスペースなし に発現される。 下記の事が同意されよう。 −反応器の使用条件に応じて、側板６及び対応するスクリュの軸受を削除しう る。その時、穴2bのこの端部を空間発生装置に、最大かつ一定の断面によって直 接結び付けることが可能である。 −連結される断面積を大きくすることを殊に可能にする穴2bの延長は、この連 結される断面積自体が減少される時減少されうる。例えばそれは、気体の導入や 排出が加圧下で行われる場合である。 このような構造では、装置の作動直後では、循環する材料は、空間すなわち穴 2bの一部をしか占めることができない。一部とは、二つのスクリュの円錐台部分 の頂点を通るA、A'面と側板４を含むX-Y 面との間で限定された部分である。一 方、他の３容積部分は、それらの部分内で材料にほぼ拘束を課すことなしに、材 料で満たされる。 スクリュ１の回転毎に、2/3Vに等しい体積の材料が、穴2aと2bとの間の結合装 置によって、空間すなわち穴2b内に整然と導入される。 同時にスクリュ５が、スクリュ１から受け取ったと同じ体積2/3Vを集めて排出 する。 ここでは空間2b内に空き容積V−2/3V＝V/3 が生じ、その中では特定の気体圧 力が支配する。 空間2b内を通過する間に材料の成分は更新される。理由は、スクリュ５の軸柱 の円筒一円錐形状によって、また作動中の反応器の各回転毎に生み出される空き 容量V/3 が発生するためである。 事実、スクリュ５の軸柱の寸法と円筒形状のためにその容量が最大となる空間 2b内で材料が再接触する間、気相は、液相と固相とに直接干渉し、気体−液体及 び気体−固体の界面の発生、合成及び更新とに積極的に参与する。 実験によって、反応過程が、空間2b内を支配する真に自由な空間の変化を生じ させうることが示されている。これは常時知らねばならないの非常に重要なパラ メータであり、それを測定するのは常に役立つ。継続的な作動の場合これは不可 欠である。 このような構造の、第１図に示された本発明による装置は、作動サイクルの間 絶え間なく、全ての相の界面の整然たる更新を強度に活性化する。しかしながら 、物質が挿入される自由な空間に応じて、液体−気体と固体−気体の界面を最大 に発展させ、修正させるのは、スクリュ５の軸柱の円筒部分5cの周囲においてで ある。 また気体の急速な分離が引き起こされ、気体は、反応の結果生じた気体に溶解 或いは吸収される。 同様に、通路10によって圧力下で気体を補給すると、この同じ界面の更新が、 作用の過程で、この気体の溶解或いは乳化と反応を加速する。 図４と図５に示したように、図１の二円錐形スクリュ１は、円筒円錐形スクリ ュ5'に代えることができる。該スクリュ5'は、気体の循環のために重要な通路断 面積を提供するためにスクリュ５に対し軸上をずらされている。この場合、両ス クリュの軸柱の円筒部分は互いに逆向きとなる。 このように構成された反応器の作用は、図１に示した装置の作用と本質的に同 一である。唯一の違いは、自由な空間が一つの代わりに二つあるという事実にあ る。この設置は、問題の気体の体積が重要な時、殊に利益を呈する。というのは 処理過程において気体の導入と排出のために付加的な自由な空間を倍増すること を可能にするからである。明らかなことは、入口８がスクリュ5'の円筒部分の端 にあり、通路11がケーシング２内の該スクリュ5'の円錐部分の直径の大きい部分 に作られていることである。 図６には、図１に示した装置の一つの変形例が示してある。これによればスク リュ５と同一の第二スクリュ5"が、スクリュ５に対し対称的にスクリュ１に連結 され、穴2dは、管７と同様な管7'によって穴2aと連絡されている。 この構造はいくつかの修正をもたらす。 まずスクリュ１側には、スクリュ１のスクリュ５と5"に対する長さの違いを補 う踵1fが設けられている。更に、非常な低圧下での作用での連絡に必要な、通路 10に類似した、大断面積のの第二の通路10' が設けられている。 出口10と10' は、図１の例のように、スクリュ５と5"の端部に同様に設けられ る。 処理される材料の入口８は側面にある。 最後に、穴2bは材料の出口を有し得ない。出口は穴2d内の8'に移動される、逆 もまた然り。 スクリュ１と5"の間に配置された第二の管7'が、異なる穴間の矢印の方向での 材料の循環を可能にすることが理解されよう。 この実施例の場合、管7'は、管７の場合と同じく、材料の通路を限定する隙間 部分を有するのは明らかである。 同様に、管７と7'は各々二つの部分からなる。これは、運転サイクル内のある 一定の過程部分における材料への作用のよりよい制御を可能にする。 図８には、図１を基本としてスクリュ12を加えて完成された装置が示してある 。該スクリュ12は、スクリュ５と同期して回転するが、回転中種々の角度でずら され得る。該スクリュ12は、周囲が円筒状のねじ山部分12bに結合した円筒形軸 柱12aを備え、該軸柱12aの長さは、スクリュ５の軸柱5cと、周囲が円錐状の第二 の部分12c との長さに一致し、12c の円錐度はスクリュ５の軸柱の円錐部5bの円 錐度に一致している。勿論、該スクリュ12用の特別な穴2eを形成するために、ケ ーシングは対応した形状を有している。 作動中、空間2b或いは2e内に強制的に存在しなければならない空間の大断面積 は下記によって保証される。 −円箇形の芯柱5c、12c の形状。 −ねじ山の形状とピッチ。 −差動器或いは移相器13によって生み出されるスクリュ５と12の相互の位相の 差。 スクリュ５と12のねじ山の大きさは、連続する二つのねじ山を隔てる窪みの大 きさより小さい。 この配置は（スクリュの回転中、デッドスペースなしに全容量の一掃を保証し なから）スクリュのねじ山の側面の間に非常に重要な自由な空間を残す。スクリ ュ５と12は同じ速度で回転する。二つの相対的な角度配置は、差動器或いは移相 器13によって、二つの限界の間で調整される。 スクリュの回転は、二つのスクリュの位相差を制御する差動器13によって、正 確に保証される。 位相差は、反応器の用途に応じて選択される法則に従って、常時測定され修正 される。 位相差の角度修正は、結論として、近接したねじ山の二つの側面を遠ざけ同時 に隣接したねじ山の二つの側面を近づけることにある。最大角度位相差、ねじ山 の側面が接触する極限位置に一致する。 最大位相差角度をD とし、角度D の半分をD0とする。位相差がD0の時、スクリ ュ５と12のねじ山の側面は等距離にある。 位相差＋ D0 において、ねじ山の側面は接触しあう。 位相差− D0 において、接触しあうのは互いに逆の側面である。 位相差D0が一定であると、回転中のスクリュ５と12は、図１による装置のスク リュ５と同じ方法で互いに機能する。 代わって、位相差角度が数値＋D0と−D0の間を上下する場合に、図８の構成に よって得られる新しい結果は下記のようである。 スクリュ５と12はこの場合、対向するねじ山の側面の両側に、総量が一定であ る二つの空間を形成させる。 つまり、空間の一方は互いに、他方が減少する間、増加する。 −この過程は下記の新しい二つの効果を生む。 スクリュのねじ山の間において、 ・一方では、増加する空き空間により、進行と、気体−液体或いは気体−固体 の界面の更新と、分子の空白（vide moleculaire）下での気体の循環とに必要な 最大断面積を促進する。 ・他方では、減少する容積により、隣接する自由な空間に固体と液体の材料を 供給し、これらの界面の更新の重要な要因を気体構成要素によって提供する。 −反応器の内部でスクリュの側面の間に生じるかもしれない材料の停滞をも妨 げる。 図８と図９に示した構造は、本発明の特徴に従って、反応器が作動開始すると すぐ、材料の運動を引き起こし制御し、部分的に気体で占められた空間を生み出 し、それら空間内に固体−気体と液体一気体の界面を殊に生じさせ更新する。 反応器の分割セクションはその目的で、図３の空間V3内で増圧も減圧もなしに 、一定の速度で材料を整然と供給する。該空間内で再接触が行われると同時に、 本発明による過程の特徴である自由な空間がこの場所に生み出される。 装置のこの部分内で、スクリュ５と12は、予想される反応の特徴に応じて変化 し制御される位相差に置かれる。 スクリュ５と12の回転は、材料を駆動し軸的な推進力を引き起こし、該推進力 は、スクリュを支える軸受上で、図８に示された装置の各スクリュ上に14、15、 16で模式的に示した歪みゲージ或いは他の手段により、測定される。この軸的な 力はFAP 0 と称し、一方対応する回転モーメントはCR 0と称する。 スクリュの角度差は、CDで表されるスクリュ５と12の角度差の調整力が適用さ れる差動器或いは移相器13によって得られる。この力は例えば、差動器のケージ に取り付けられてクランク・ピンによって駆動される小連接棒13aによって適用 される。 説明の明晰さのために、 ａ−V3が材料を含まない場合を考える時、スクリュ５と12のねじ山の側面が各 方向において接触する前までの可能な角度差は最大のものとなる。この差をDmax で表す。 移相器13をD0＝Dmax/2の角度に調整した場合、この位相では５と12のねじ山の 側面は等距離になる。 ｂ−装置の開口８内に導入される材料により、反応器の運転中に空間V3内に、 固体と液体の材料によって占められる体積の付加的な気体容積V/3 を生み出す。 下記のように表すものとする。 −CDは小連接棒13a を介してスクリュの角度差を変化させるために移相器に適 用される力。 −FAP は、スクリュ５と12の各軸受上で実施された測定により得られた材料の 軸的推進力。 １）この状態で差動器或いは移相器13はD0に調整され、スクリュ５と12を駆動 するために発揮される力は最小である。（各々(CD)は0、(FAP)は0) ２）角度状態をD0修正することにより、スクリュ５と12のねじ山の側面は、固 体と液体の材料の仲介により、接触に至る。 この接触が生じるとすぐ、(CD)0は増加し(CD)1になる。この増加に対応するの は、スクリュ７と12上での逆方向の位相差軸的力であり、該力は、例えば先に言 及した歪みゲージ14、15、16から成る周知の方法によって、スクリュの軸受上で 測定される。故に、位相差の角度差△D ＝D1の認識が、軸的力(FAD)1の測定によ り、あらゆる瞬間に可能であわ。 このように進行中の反応の展開と自由な気体容積の変化とを調整することで、 結局、反応器の材料の出入りを制御することが、可能である。 下記のことに注意すべきである。 −最大角度差に達すると、移相器13に適用される力とスクリュ５と12の駆動軸 受上で測定される軸的力FAは、最大となる。この確認は新しい適用に導く。 −実施例に従って上記のように説明した過程により、反応処理の間、ねじ山の 側面の間の材料上に適用される力を発展させ制御することが、可能となる。 材料はまた、反応器内で元の表面の機械的な処理と微小粉砕とプログラムさ れた表面張力下に置かれうる。 勿論、図８と図９に示された自動排出構造は、図１に示された装置或いは図４ 図に示された装置に、有利に適用されうる。 上記で言及した形態により、望みにより、幾何学的総合軸が水平面に対し調整 可能な角度で傾いている装置の実現を可能にする。この構成は、継続的に一塊毎 に処理される固体材料に関連するものである。 上記した手段と特徴の組合わせは、特に、 −一方では、傾斜角度 −他方では、装置の機能方法に関するものであるが、 反応器内の機能的遊びによってもたらされる「デッドスペース」の廃止が新しい 結果を主として生じさせることが認められる。 これらの結果は、反応器によってまた重力の成分によって運転中に作用する力 の結合に特に起因する。 反応器の運転の間、重力ベクトルと駆動ベクトルの方向は逆である。これはい たるところで界面の更新を保証し、処理過程において物質の流出に逆らう。 代わって、空にする間は、作動スクリュの二つの内の一つの回転方向を変化さ せることにより、全ベクトルは材料の完全な排出方向に働く。 要約すると、本発明は新しい効果を獲得するために、下記を結合して実用化し たものである。 −材料の分配と再接触のための周知の装置 −空間2b内で下記のものを殊に生み出す新規な円筒−円錐形軸柱スクリュの構 成 ・空き容積Ｖ ・空間2b内での気体の大面積による循環 ・気体の入口の大面積 ・気体、固体、液体の循環の最大面積の継続性の維持 ・その自由な面積の測定 ・自動排出システム 理解されるように、本発明による装置内での処理過程において気体の導入と排 出を可能にする付加的な空間を（デッドスペースなしに）生み出すための手段は 、どちらかが必ず円筒円錐形芯柱を有する二つのスクリュの一つの穴の容積を増 加させる付加的な室によって得られるのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固体、液体及び／もしくは気体状態の物質の物理化学的反応と処理のため の装置であって、少なくとも二つの穴を備えるケーシングを有し、該穴内には各 々スクリュが配置され、該穴はその長さ上の或る部分で適切な通路によって互い に連絡されて、混合される物質の一つの穴から他の穴への循環が可能であり、少 なくとも一つのスクリュ(5)が、処理過程において気体の導入と排出を可能にす る付加的な自由な空間を作動中に形成するための手段(5c-2b)を備えることを特 徴とする装置。 ２．一つのスクリュ(5)が有する部分的に円筒形の軸柱の直径を、該スクリュ( 5)の残り部分の円錐形芯柱(5b)の直径の小さい方の部分の直径にほぼ等しくする ことで自由な空間が形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．気体の導入或いは排出が行われる室を形成するために、軸柱の円筒部分(5 c)の長さがその円錐部分(5b)の長さよりも長いことを特徴とする請求項２に記載 の装置。 ４．固体−気体及び液体−気体の界面を発生させる二つの空間(V3)を形成する ために、円筒一円錐形の二つのスクリュ(5、5')を有することを特徴とする請求 項３に記載の装置。 ５．円筒一円錐形の軸柱を有する第二のスクリュ(5')がケーシング(2)の第三 の穴(2d)に結合されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の装置。 ６．ケーシング(2)の穴(2a、2b、2d)間の連結が、穴(2a、2b、2d)間の通路断 面積の調整を可能にする管(7、7')によって行われることを特徴とする請求項２ 〜５のいずれかに記載の装置。 ７．調整用の管(7、7')が、隣接した穴間を区切る穴(2c)内で回転し、また該 管は、該穴間の通路となる隙間部分を有することを特徴とする請求項６に記載の 装置。 ８．調整用の管(7、7')が、分離した二つの部分からなり、必要に応じて二つ の部分の各々の角度位置を独立して調整できることを特徴とする請求項７に記載 の装置。 ９．円筒−円錐形の軸柱のスクリュ(5)に重なり合うスクリュ(12)を更にもう ひとつ有することを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の装置。 10．反応器内における気体の自由な容積を常時測定するシステム(14、15、16) と調整するシステム(13)を有することを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記 載の装置。 11．装置内部に存在する機能的遊びによって生じるデッドスペースの影響を排 除するために、幾何学的軸が水平面に対し調整可能な角度で傾いていることを特 徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。